全線が鹿児島本線当時のまま交流電化されていますが、自社による旅客列車は気動車で運転。通常はワンマン運転による地域輸送を行っていますが、現在も本線のルートは本州・北九州と鹿児島を結ぶ物流の大動脈であり、貨物列車が多数運転されています。

貨物列車はJR貨物が肥薩おれんじ鉄道線の施設を借用するかたちで運行。門司機関区のED76、EF81形電気機関車が交流電化の設備を利用し、コンテナ車を牽引して走ります。

このように、線路は全国につながっており、他路線からの乗り入れが可能です。クルーズトレインの「ななつ星in九州」が乗り入れたり、寝台特急「はやぶさ」のリバイバルトレインが門司港〜鹿児島中央間で運転されたこともあります。

肥薩おれんじ鉄道線では、旅客列車として普通列車に加えて土・休日運転の快速列車を運行してきました（2021年3月に廃止）が、花形は何といっても土・日・一部祝日運転のレストラン列車「おれんじ食堂」です。

2013（平成25）年3月より運行を始めた快速列車で、穏やかな入り江が続く不知火海（八代海）、ダイナミックに波が打ち寄せる東シナ海を眺め、食事をしながらゆったりと乗車できます。

車窓から見える海岸線はじつに美しく、しばし日常を離れた鉄道旅に心身も安らぎます。また、食事なしの「乗車のみプラン」もあります。

車両は一般車からの改造車で、車内は木の温もりを感じる洗練されたもので、水戸岡鋭治氏がデザインを担当しています。

1号車は23席の「ダイニング・カー」で、談笑しながら食事が楽しめるテーブル席のほか、海側にはカウンター席があり地酒などを味わいながら海岸風景を堪能できます。運転席の横には「子供展望席」があり、前面展望も楽しめます。
2号車は「リビングカー」で、わずか20席のみの配置とあって、ゆったりと時間をすごすことができます。また、鹿児島県、熊本県の民芸品を展示したショーケースがあり、沿線の歴史や伝統にも触れられます。

提供される料理は、沿線の食材をふんだんに使用したものばかりで、生産者と料理人のこだわりが詰まっており、客室乗務員のサービスも質が高いです。
列車によってはピアノ生演奏も行われ、車窓が美しい区間では時速30㎞まで速度を落とす減速運転や、熊本・鹿児島県境の袋〜米ノ津（こめのつ）間の鉄橋上では一旦停止のサービスも行われます。

途中の日奈久（ひなぐ）温泉駅、水俣（みなまた）駅、薩摩高城（さつまたき）駅では「駅マルシェ」が開催され、沿線の特産品や地元グルメを楽しめます。

おれんじ食堂は、運転時刻や提供されるメニューを変えて１日４便が運行され、全国に走るレストラン列車のなかでも非常に充実していますが、それもそのはず。専用車両を使用し従来の食堂車にはない供食サービスをする形態は、おれんじ食堂が先がけであり、のちに全国に普及したものです。

おれんじ食堂は、数ある観光列車のなかでも人気は上位で、食事に関しても太鼓判が押されています。魅力あるこの列車に乗車したくて訪れる遠来の観光客も多く、南九州の第三セクター鉄道はとてもホットです。

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