歴史
この路線は大嶺炭田の石炭を運ぶ鉄道として始まった。私鉄の山陽鉄道が、石炭輸送のため1905年9月13日に最初の区間である厚狭 - 大嶺間（約19.6キロメートル）を開業し、厚保・四郎ケ原・伊佐（現在の南大嶺）・大嶺の各駅を設けた。山陽鉄道が1906年12月1日に国有化されると、この支線も国の手に移り、1909年10月12日の国有鉄道線路名称制定で大嶺線と名付けられた。
もう一つの事業者が鉄道を延ばした。美祢軽便鉄道が1916年9月15日に伊佐 - 重安間（約5.5キロメートル）を開業し、同社は1920年6月1日に国有化されて国の美禰軽便線となった。その後、路線は北へと延ばされ、1924年3月23日に於福 - 正明市間（約18.8キロメートル）が開業して、県を貫く通し路線が完成した。
路線の形は、その後の数十年で定まった。1933年2月24日、山陰本線が通し路線として全通すると、正明市 - 宇田郷間は山陰本線に編入された。美祢を通る路線の名称が現在の美祢線という表記になったのは、1963年10月1日のことである。
戦後には気動車化と近代化が進んだ。1960年9月10日からは、朝の上り1本と夕方の下り1本、および大嶺支線を除いて旅客列車がおおむね気動車化され、蒸気機関車は1972年初頭までに姿を消し、1974年には列車集中制御装置（CTC）が導入された。貨物は引き続き重要で、南大嶺 - 大嶺間の貨物営業は1984年に廃止されたが、重安からの石灰石輸送はその後も長く続き、2009年になってようやく終了した。
1987年4月1日の国鉄分割民営化により、美祢線は新たに発足した西日本旅客鉄道（JR西日本）に承継された。旅客列車は1990年代以降、主にキハ120形気動車によって運行されるようになった。元の石炭線の名残である南大嶺 - 大嶺間の支線（2.8キロメートル）は、1997年4月1日に運輸営業が廃止された。路線はすでに天候への弱さを見せており、2010年7月15日の大雨で橋梁や路盤が流失して全線が不通となり、2011年9月26日にようやく全線で営業運転を再開して、同年に山口県で開かれた国民体育大会に間に合った。
はるかに深刻な災害が2023年に起こった。2023年6月末から7月初めにかけての記録的な大雨により、四郎ケ原 - 南大嶺間で厚狭川をまたぐ橋梁が流失し、ほかの少なくとも数か所でバラストが流出して、全線が不通となった。代行バスは2023年7月4日から路線の大部分で運行を開始し、厚狭 - 湯ノ峠間では代行タクシーが走った。JR西日本は、自社単独での復旧と持続的な運行は外部の財政支援なしには困難だとの見方を示し、2025年5月22日にはバス高速輸送システム（BRT）による復旧が最も適当との見解を示した。2025年7月16日には、鉄道での復旧を断念しBRTで復旧する方向で意見が一致し、2025年8月7日には県と沿線自治体が、鉄道での復旧を断念のうえでBRTへ転換することについて合意した。
この路線の駅
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年表
- 19059月13日：山陽鉄道が大嶺炭田の石炭輸送のため最初の区間、厚狭 - 大嶺間（約19.6km）を開業。厚保・四郎ケ原・伊佐・大嶺の各駅が開業。
- 190612月1日：山陽鉄道が国有化され、この支線も国に移る。
- 190910月12日：国有鉄道線路名称制定により大嶺線となる。
- 19169月15日：美祢軽便鉄道が伊佐 - 重安間（約5.5km）を開業。
- 19206月1日：美祢軽便鉄道が国有化され、美禰軽便線となる。
- 19243月23日：於福 - 正明市間（約18.8km）が延伸開業し全通。
- 19332月24日：山陰本線全通に伴い、正明市 - 宇田郷間を山陰本線に編入。
- 19609月10日：朝の上りと夕方の下りの1往復および大嶺支線を除き、旅客列車を気動車化。
- 196310月1日：美祢線に改称。
- 19842月1日：南大嶺 - 大嶺間の貨物営業が廃止される（重安からの石灰石輸送は継続）。
- 19874月1日：国鉄分割民営化により西日本旅客鉄道が承継。
- 19974月1日：元の石炭線の名残である南大嶺 - 大嶺間（2.8km）の運輸営業を廃止。
- 2009重安からの石灰石輸送が終了。
- 20107月15日：大雨で橋梁や路盤が流失し、全線が不通になる。
- 20119月26日：全線で営業運転を再開（山口で開かれた国民体育大会に間に合う）。
- 20236月30日 - 7月1日：記録的な大雨により四郎ケ原 - 南大嶺間で厚狭川をまたぐ橋梁が流失し各所でバラストが流出、全線が不通となる。7月4日より代行バス（厚狭 - 湯ノ峠間は代行タクシー）の運行を開始。
- 20255月22日：JR西日本がBRTによる復旧が最も適当との見解を示す。7月16日に鉄道での復旧を断念しBRTで復旧する方向で一致、8月7日に県・沿線自治体がBRTへの転換について合意。