Sanyo-Onoda si trova nella parte occidentale della prefettura di Yamaguchi, lungo il corridoio ferroviario Sanyo tra Shin-Yamaguchi e Shimonoseki. La città ha due principali riferimenti ferroviari per i passeggeri: la stazione di Asa per lo Shinkansen e i collegamenti regionali, e la stazione di Onoda per i servizi locali nell'area urbana. JR West gestisce i treni passeggeri che servono Sanyo-Onoda, incluso lo Sanyo Shinkansen ad Asa.
I servizi ferroviari da Sanyo-Onoda includono i treni Kodama Shinkansen dello Sanyo Shinkansen, i treni regionali sulla Sanyo Main Line, i servizi della Mine Line ad Asa e i treni locali della Onoda Line attorno a Onoda e Ube. La stazione di Asa è la principale stazione ferroviaria per i biglietti a lunga percorrenza, mentre la stazione di Onoda è utile per viaggiare in treno all'interno della parte occidentale di Yamaguchi.
Le linee ferroviarie da Sanyo-Onoda si dirigono a est verso Shin-Yamaguchi, Tokuyama, Hiroshima e Okayama, e a ovest verso Shimonoseki, Kokura e Fukuoka tramite la più ampia rete JR West e JR Kyushu. Le linee locali collegano inoltre Sanyo-Onoda con Ube e Mine. Prenota online i treni da e per Sanyo-Onoda su Rail Monsters.