新大阪駅以東での停車駅など詳細については各列車の記事および東海道新幹線を参照のこと。
「のぞみ」
最速達タイプの列車。途中新神戸駅・岡山駅・広島駅・小倉駅には必ず停車する。また、早朝・深夜を除いてほぼすべての定期列車と臨時列車が東京駅まで直通運転している。東京直通列車は新大阪駅、京都駅、名古屋駅、新横浜駅、品川駅に停車し、これら以外の駅には停車しない。東京 - 博多間直通の列車のうち毎時1本がN700系で運行されている。
東京駅 - 博多駅間の一部列車は、福山駅か新山口駅のいずれかに停車し、徳山駅のみ停車の列車は1日に上下2本ずつある。
姫路駅には東京駅 - 広島駅間の全列車が停車する。
上記以外の駅には停車しない。以前は姫路駅に博多行の列車も一部が停車していたが、それらは福山駅停車となったため、姫路駅は通過となった。
2006年3月18日のダイヤ改正で姫路駅や新神戸駅からの東京方面への利便性を向上させるため、早朝・深夜に東京駅 - 姫路駅間の列車が新設された。
2008年3月15日のダイヤ改正で、早朝に他の列車は通過する西明石駅始発の「のぞみ60号」が設定された。
種別を表す色は黄色である。
「ひかり」
途中駅通過タイプの列車。ただし、東京駅 - 岡山駅間の列車は京都駅以西の各駅に停車。
朝の上り、夜の下りには姫路発着の列車もある（西明石駅にも停車）。
2008年3月15日のダイヤ改正で、朝の上りに三原始発東京行きの列車が新設された（三原 - 名古屋間各駅停車）。新尾道駅と新倉敷駅に停車する「ひかり」が10年ぶりに復活したことになる。
種別を表す色は赤である。
「ひかりレールスター」
「ひかり」のうち、700系7000番台を使用した速達タイプの列車をいう。新神戸駅・岡山駅・福山駅・広島駅・小倉駅には必ず停車する。山口県内の徳山駅・新山口駅・新下関駅では、一部を除き主に新山口駅に停車するが、徳山駅・新下関駅のみ停車の列車もある。また、2006年3月18日ダイヤ改正でこれらの駅と姫路駅には停車しない速達便も登場。さらに、早朝の上り1本と深夜の下り1本は、三原駅に新たに停車し、関西方面への利便性が図られた。
4人用個室が4室設けられている。
2008年3月15日のダイヤ改正で、早朝の広島始発の列車1本が広島から岡山間各駅停車に変更され、これにより東広島駅、新尾道駅、新倉敷駅に新たにレールスターが停車することになった。また、新下関駅停車列車に今まで設定が無かった夕方下りと早朝上りが新設された。
「こだま」
各駅に停車する列車。小倉駅 - 博多駅間や朝夕の一部の列車は全車自由席である。一部列車は博多南線特急（戸籍上は在来線扱い）として運行される。一部の列車・区間において車内販売の営業がある。
4両編成の列車は博多駅 - 岡山駅間の運用となっている。
種別を表す色は青である。
車両は、基本的には6両編成か4両編成の0系と100系が使用されるが、早朝と深夜には、車庫への入出庫を兼ねて16両編成の700系や300系を使用する列車もある。また、N700系の投入により余剰となった500系が8両編成となって山陽新幹線のこだまに順次投入される（すでにW3編成は8両編成となり、V3編成を名乗っている。余った中間車は廃車）ため、0系は2008年11月末で引退することが決まった。
さらに、小倉―博多間ではN700系を使用したこだまが運行されている。
開業時から規則的なパターンダイヤを導入しているが、東海道新幹線に比べて需要が少ないことと時間帯により極端な需要の偏りがあることなどから、列車の延長運行などを行い、需要に見合う柔軟なダイヤ構成となっている。
列車運行時間は、騒音などによる沿線住民の環境に配慮して、0時から6時の間は営業運転を行わないようにダイヤが組まれている（但し、台風や大雪など自然災害、車両故障やその他の事由によるダイヤの乱れが発生した時は、運行時間延長の処置がとられる）。
2008年3月15日のダイヤ改正以降、昼間時間帯ではだいたいこのようなパターンで運行されている。
下り種別始発新大阪駅
発車時刻新大阪新神戸西明石姫路相生岡山新倉敷福山新尾道三原東広島広島新岩国徳山新山口厚狭新下関小倉博多博多南博多駅
到着時刻終着
こだま岡山 ●●●●●●●●●●●●●●●23分博多南
ひかり東京5分●●●●●● 岡山
のぞみ東京9分●●→→→●→●→→→●→▼▼→→●● 44分博多
ひかりRS新大阪19分●●→■→●→●→→→●→▼▼→▼●● 5分博多
のぞみ東京29分●●→●→●→→→→→● 広島
こだま新大阪38分●●●●●●●●●●●● 岡山・広島
のぞみ(N)東京45分●●→→→●→→→→→●→→■→→●● 9分・13分博多
のぞみ◆東京52分●●→→→●→→→→→●→▼▼→→●● 31分新大阪・岡山・博多
ひかりRS新大阪59分●●→▲→●→▲→→→●→▼▼→▼●● 41分博多
● : 停車、■ : 一部の列車が通過、▼ : この駅のうち0 - 1駅に停車、▲ : この駅のどちらかに停車、→ : 通過、(N) : N700系、◆ : 臨時列車 この節は執筆中です。加筆、訂正して下さる協力者を求めています。
下り種別始発新大阪駅
発車時刻新大阪新神戸西明石姫路相生岡山新倉敷福山新尾道三原東広島広島新岩国徳山新山口厚狭新下関小倉博多博多南博多駅
到着時刻終着
のぞみ東京11分●●→●→●→→→→→● 岡山（※1広島）
こだま岡山岡山（広島）着「のぞみ」接続●●●●●●●●●●●●●●●不定博多南
こだま新大阪※215分●●●●●●●●●●●● 広島
のぞみ東京29分●●→→→●→→→→→●→→▼→→●● 52・57分博多
のぞみ◆東京・新大阪32分●●→→→●→→→→→●→→●→→●● 11分広島・博多
ひかりRS◇新大阪35分●●→●→●→●→→→●→▲▲→▲●● 20分※3博多
こだま広島※2東京駅 - 博多駅間「のぞみ」接続●●●●●●●● 不定博多
ひかり東京38分●●●●●● 岡山
のぞみ東京51分●●→→→●→●→→→●→▼▼→→●● 25・30分博多（※1広島）
