東海道新幹線に比べ線形がよいため高速運転が可能で、山陽新幹線内（姫路駅以西）では500系・N700系「のぞみ」が最高300km/h運転を実施している。「のぞみ」の大半は東海道新幹線に乗り入れ東京駅まで乗り換えなしでいくことができる。また、新大阪 - 博多間には西日本旅客鉄道の700系7000番台による「ひかりレールスター (Rail Star) 」が運行されている。
極力カーブを少なくするために、直線ルートを多く採ったことにより、東海道新幹線よりトンネルが多い（トンネルがないのは西明石駅 - 姫路駅間のみ）。またトンネルが多くなったことにより、車内気圧変動対策で換気を遮断する回数が増えるため、後から開業した岡山駅以西では連続換気方式が採用されたが、1973年以前に製造された0系のうち当時の「こだま」編成にはこれに対応する改造が行われなかったため、岡山駅以西への乗り入れができなかった。編成組換えの際、非対応車が入った編成（本来の編成番号+50で区別）は東海道「こだま」専用となった。
新大阪駅発着列車は同駅20番線で折り返しているが、同駅の東京方に引き上げ線がないことから、同駅折り返しの上り列車は約3km手前（ここがJR東海との境界でもある）から下り線を走行しているため、列車本数は大きく制限されている。
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2011年に九州新幹線博多 - 新八代間が開業するのに伴い、山陽新幹線が博多駅で九州新幹線と接続するという公式の発表があり、2007年10月17日にJR西日本・JR九州が合同で会見を行った。それによれば、新大阪駅発鹿児島中央駅行きの列車を概ね1時間に1本の割合で運行し、両駅を約4時間で結ぶというものである。しかし、現時点では山陽新幹線で使用されている車両を九州新幹線に直通させることは不可能であり、相互に対応する列車や運行システムをJR西日本・JR九州で共同開発することが発表された。車両はN700系をベースにしたものになり、1編成8両で、JR西日本は19編成（152両）、JR九州は10編成（80両）で計29編成（232両）を製造する予定である[2][3]。デザインは白藍色のボディに、濃藍色と金色の側面ラインと、「WEST JAPAN」と「KYUSHU」の文字を用いたロゴマークが入る予定である。営業最高速度は山陽新幹線区間で300km/h、九州新幹線区間で260km/hの予定である[4]。九州新幹線との直通列車の愛称については、公募等で制定する方向と報じられている[5]。2008年7月23日には量産先行車のインテリアデザイン等が発表された。2008年9月29日に山陽・九州新幹線に使用される車両の1号車が完成、積み出し作業が行われ、今後、JR西日本が山陽新幹線内で各種試験を実施する[6]。
なお、東海道新幹線東京・名古屋方面への乗り入れについては、1本あたりの車両数の違い（東海道新幹線が16両であるのに対し、九州新幹線は全通後でも8両）、駅での乗車位置・編成ごとの定員の違い、東海道新幹線内の列車容量、所要時間が東京 - 鹿児島中央間で7時間程度かかってしまい航空機との競争力が弱いこと、などを理由にJR東海が乗り入れを認めない意向である。
一方、岡山支社管内の新尾道駅、広島支社管内の東広島駅・新岩国駅・厚狭駅のように利用が極端に低迷している駅があり、それらの駅の収支改善策が検討されている。長距離旅客が主体であるため無人化は困難であり、営業時間の短縮などの案が検討されている。神戸支社管内では、相生駅が営業時間の短縮を実施した。
詳細はエクスプレス予約を参照
2005年12月よりJR東海エクスプレス・カードを使った「エクスプレス予約」による東海道新幹線の割引特急券（e特急券）の対象区間が新神戸駅まで拡大され、JR西日本もこれと同等のサービスを受けられるJ-WESTカードを新たに発行し（年会費有料の「エクスプレス」のみ当サービスが利用可能）、2006年2月より山陽新幹線全線でのサービスを開始、同年7月22日には両者のカードで東海道・山陽新幹線全区間での相互利用が可能となった。なお、JR東海エクスプレス・カードで導入予定の東海道新幹線ICカードシステムに関しては、山陽新幹線およびJ-WESTカード・エクスプレスでの対応については2007年12月の定例社長会見で、2009年度の実施が発表された。
路線データ
路線距離（営業キロ） : 644.0km（実キロ:553.7km）
ただし、新岩国 - 徳山間を通過する場合の運賃・料金計算に使われる岩徳線経由の営業キロでは622.3km、運賃計算キロでは626.7km。
距離標は東京駅起点として設置。
軌間 : 1435mm（標準軌）
駅数 : 19駅（起終点駅含む）・1信号場
複線区間 : 全線複線
電化区間 : 全線電化（交流25,000V・60Hz）
保安装置 : ATC-1、車内信号式
道床 : バラスト軌道、スラブ軌道
運転指令所 : 東京指令所
平時では東京にある指令所で指令業務が行われているが、地震等で被災したときのために第二指令所が大阪に設置されている。普段から異常時訓練や東京から最新のダイヤグラムを転送して、緊急時にすぐ対応できる体勢をとっている。
構造種別延長割合：路盤 12%、橋梁 9%、高架橋 28%、トンネル 50%[7]
山陽新幹線の車両は、若干のマイナーチェンジはあるが、2008年3月15日現在、大きく分けて以下の型式が存在する。
0系（JR西日本R編成（6両）、山陽新幹線内「こだま」及び博多南線で使用。1999年9月18日限りで東海道新幹線からは撤退。2008年11月30日限りで定期運転終了予定）
100系（JR西日本K編成（6両）、P編成（4両）、山陽新幹線内「こだま」及び博多南線で使用。2003年9月16日限りで東海道新幹線からは撤退）
