この区間は北九州市 - 福岡市 - 久留米市 - 大牟田市・荒尾市の都市間輸送を担っていることもあり、快速・準快速などの運行もなされており、赤間駅や二日市駅、荒木駅では快速系統と普通列車の緩急接続がほぼ終日行われている。

黒崎 - 折尾間では1893年（明治26年）に設置された短絡線を経由しての筑豊方面との直通運転も可能で、吉塚 - 博多間の三線化により1991年（平成3年）から全列車が博多駅に乗り入れできるようになったため、門司港 - 折尾間には福北ゆたか線として筑豊本線に直通し、さらに篠栗線を経て博多駅まで直通する列車もある。なお、山陽本線下関と鹿児島本線の間を直通する列車も若干あるが、門司 - 下関間は直流電化であるため、これに関しては必ず交直両用の415系で運転される。国鉄時代は下関方面へ行く列車の方が多かったが、JR発足後は811系・813系電車の大量投入が進み、門司港方面への列車が増発傾向にある。

門司港 - 鳥栖間での両数は日中は1編成単独の3両編成（813系）や4両編成（415系・811系）での運転もあるが、特に快速は2編成を連結した6・7・8両編成での運転が多い。最混雑時間帯には3編成を連結した9両編成・12両編成で運転される列車もある。2009年（平成21年）3月14日のダイヤ改正で811系・813系電車の日豊本線においての運用が増加した関係で昼間での415系電車の運用が増加している。

長崎本線への特急列車も走る博多 - 鳥栖間は特急列車が1時間に最大6本運転されており、その合間を縫って快速・普通列車が運転される過密ダイヤである。特に博多 - 鳥栖間では、1時間当たりの特急列車の本数が普通列車の本数の倍であったり、待避専用の太宰府信号場まで設置されたほど、普通列車・快速列車のいずれも特急列車の通過待ちをする回数が多い。

なお、九州新幹線鹿児島ルート全線開業後に熊本方面の特急列車が新幹線へ移行することで、多少は快速・普通列車の利便性も向上すると見られるが、地元自治体からは特急列車の存続を訴えようとする動きもある。なお同西九州ルートに関しては未だ将来像は不透明のままである。