概述
围绕美浓太田站附近的线路，众议院铁路建设委员会先依立宪政友会的建议，提出了自名古屋站直接北上通过美浓太田站的计划，后由于宪政会的施压，线路更改为自岐阜站绕行后北上。在确定线路绕行后，支持于太田绕行的宪政会和支持于关町（今：关市）的立宪政友会展开对峙，美浓电气铁道提议修建关站~太田站的铁路线。1918年2月9日众议院决议线路自太田绕行，3月1日参议院亦通过此决议。
名古屋站~美浓太田站符合《改正铁道敷设法》附表第72号记载的“起于爱知县名古屋，终于岐阜县太田”的线路。1961年都市交通审议会决议第5号决定修建水分桥站~大曾根站的中央本线联络线和鹈沼站~水分桥站的名铁犬山线联络线。
年表
1920年11月1日，高山线岐阜站~各务原站13.2km路线开业。
1921年11月12日，高山线各务原站~美浓太田站14.16km路线开业。
1922年11月25日，高山线美浓太田站~下麻生站10.46km路线开业。
1924年3月20日，高山线下麻生站~上麻生站5.47km路线开业。
1926年3月15日，高山线上麻生站~白川口站9.82km路线开业。
1927年9月1日，飞越线富山站~越中八尾站17.06km路线开业。
1928年3月21日，高山线白川口站~飞驒金山站13.51km路线开业。
1929年4月14日，高山线飞驒金山站~烧石站9.01km路线开业。10月1日，飞越线越中八尾站~笹津站8.21km路线开业。
1930年11月2日，高山线烧石站~下吕站12.6km路线开业。11月27日，飞越线笹津站~猪谷站11.3km路线开业。
1931年5月9日，高山线下吕站~飞驒萩原站8.4km路线开业。
1932年8月20日，飞越线猪谷站~杉原站8.7km路线开业。
1933年8月25日，高山线飞驒萩原站~飞驒小坂站12.1km路线开业。11月12日，飞越线杉原站~坂上站13.9km路线开业。
1934年10月25日，飞驒小坂站~坂上站57.8km路线开业，高山线与飞越线互相连通，岐阜站~富山站更名为“高山本线”。
1945年1月10日，运行在飞驒金山站~烧石站区间的一列下行列车发生脱轨事故，造成两节客车厢从桥上坠落入飞弹川，造成43人遇难。事故原因主要为二战时期日本铁路受战争影响保养减少。
1958年3月1日，准急列车“飞驒”投入运营。7月24日~8月12日，受台风11号与随之而来的大雨的影响，高山本线飞驒金山站~渚站间路线受损营业暂停。
1965年8月5日，名古屋铁道准急列车“たかやま”投入运营。
1968年8月18日~9月12日，集中的大雨造成线路上麻生站~白川口站路线受损。10月1日，准急列车“飞驒”升级成为特急列车开始运营。
1980年5月27日，日本国铁准备耗资200亿日元对高山本线进行全线电气化的改造，并修建完毕高山站站内的电气化线路。最终因为种种原因而停工。最终日本国铁通过修改线路线形、配置高性能柴油机车来缩短运行时间。
1987年4月1日，国铁分割民营化，岐阜站~猪谷站划归东海旅客铁道管辖，猪谷站~富山站归属西日本旅客铁道管辖。
1990年3月10日，岐阜站~美浓太田站单人运行开始。
1992年3月14日，富山站~猪谷站单人运行开始。
1996年6月25日，特急列车“飞驒”15号在下吕站南3km的三原隧道出口撞上被大雨冲刷下来的巨石。事故造成16人受伤，两节车厢脱轨。路线在6于日28日全部恢复运行。
1999年12月4日，美浓太田站~高山站单人运行开始，特急列车“飞驒”将起点站更改为大阪站。
2003年10月1日，高山站~猪谷站单人运行开始。
2004年10月22日，受台风23号影响，高山站~猪谷站线路中断。
2004年11月18日~2007年9月8日，高山本线受台风影响路段先后开业，线路重新连接。
2018年6月29日，因暴雨造成飞驒萩原站~上吕站间路基流失，线路中断，中断区间的巴士代行路线同期开行。7月5日~11月21日，中断路线陆续开业，线路再次重新连接。
2020年7月6日，因暴雨造成美浓太田站~猪谷站间路基流失，线路中断。7月9日~7月23日，中断路线开业，高山本线全通。
备注：有人站当中，岐阜站、美浓太田站、下吕站、高山站、飞驒古川站的5站是JR东海直营站，鹈沼站是东海交通事业的业务委托站，白川口站、飞驒金山站、飞驒萩原站的3站是简易委托站。
备注：有人站当中，富山站在来线是爱之风富山铁道直营站，速星站与越中八尾站是JR西日本金泽Maintec的业务委托站。
高山本线全线非电化，二社列车全部为柴油机车
特急列车
HC85系——JR东海名古屋车辆区——特急“飞驒”（大阪站·名古屋站~高山站·富山站·飞驒古川站）
キハ85型——JR东海名古屋车辆区——特急“飞驒”（大阪站·名古屋站~高山站·富山站·飞驒古川站）
普通列车
キハ25型——JR东海美浓太田车辆区（岐阜站~猪谷站）
キハ75型——JR东海美浓太田车辆区（岐阜站~下吕站）
キハ120型——JR西日本金泽综合车辆所富山支所（猪谷站~富山站）
キハ40型——JR西日本金泽综合车辆所富山支所（盂兰盆节期间，猪谷站~富山站）
货物列车
DD200型——JR货物爱知机关区
优等列车
名古屋站~富山站·高山站·飞驒古川站间和大阪站~高山站间运行有特急“Wideview飞驒”，其中1班往返于大阪站~高山站间的特急在岐阜站~高山站间会与去往名古屋站的列车重联运行。
岐阜站~美浓太田站间地域输送
岐阜站~美浓太田站间有直通去往太多线多治见站的班次，沿线旅客较多，是美浓加茂市、各务原市去往岐阜市、名古屋市的通勤线路。白天和傍晚1小时2班，早晨1小时4班，是高山本线班次最密集的区间。
岐阜站~鹈沼站与名古屋铁道各务原线并行，虽然1小时4班是名铁各务原线班次的一半且是非电气化，但是线路弯道少车站少，所需时间比名铁少，车费比名铁低。虽然民营化后车辆性能上升，各车站的利用人数逐渐增多，但是还是比名铁少。
鹈沼站~美浓太田站~太多线可儿站间不与名古屋铁道犬山线、广见线并行，且占有优势，虽然班次仍比名铁少，但是票价便宜且用时少。
美浓太田站~猪谷站间地域输送
美浓太田站~下吕站1~2小时1班。下吕站~高山站上行班次有4个小时、下行班次有5个小时的无班次时间，但是早晨为了通勤也有15分钟1班的运行时间。飞驒古川站~猪谷站区间也有3.5个小时没有班次的时间段。设有运行于岐阜站・美浓太田站~下麻生站・白川口站・飞驒金山站・下吕站之间以及下吕站~高山站之间、高山站~飞驒古川站・坂上站之间的区间列车。
列车一般为2~4节编成，除通勤时间外均为单人运行，岐阜站~高山站 · 美浓太田站~猪谷站的长距离列车也有乘务员乘坐。高山站4点出发去往岐阜站的班次和岐阜站21点出发去往高山站的班次为快速班次。
在益田清风高中开学式、毕业式和入学考试的时候会运行飞騨萩原站~下吕站的临时班次。
猪谷站~富山站间地域输送
猪谷站~富山站和富山站~越中八尾站的列车交替运行，速星站~富山站的列车也在早晨往返一次。
富山站~越中八尾站除早晨7点有3班之外均为1小时1班，猪谷站~越中八尾站为2~3小时1班。
货运列车
货物列车在速星站~富山站间运行。速星站~东海道本线川崎货物站和富山货物站~速星站的高速货物列车1田1班往返。
以富山市为主体，作为高山本线活性化事业的一环，从2006~2011年进行了JR高山本线活性化社会实验。2006年10月21日作为第一期的社会实验在猪谷站~富山站进行了列车班次的增加。由于这次时刻表更换，越中八尾站~富山站1小时2班往返，越中八尾站~猪谷站1小时1班往返。夜间23点富山站出发的列车也被设置，猪谷站时刻表成了跨越24小时均有班次的时刻表。作为第二阶段的实验，从2008年3月15日~2011年3月11日在速星站~西富山站间的富山创新公园附近设置了新车站，第二期实验的列车增加区间仅限越中八尾站~富山站之间，白天每小时2班往复。虽然实验在2011年3月12日时刻表改正后停止，但是妇中鹈坂站在2014年3月15日成为固定车站。