Yamaguchi é um centro ferroviário no oeste de Honshu, situado entre os corredores ferroviários de Kansai, Chugoku e Kyushu. A cidade tem duas estações principais de passageiros: Shin-Yamaguchi para viagens de longa distância e a Estação de Yamaguchi para acesso regional ao centro da cidade. A JR West opera os principais serviços, incluindo comboios Sanyo Shinkansen em Shin-Yamaguchi e linhas locais em toda a Prefeitura de Yamaguchi.
Os serviços de comboio a partir de Yamaguchi incluem partidas de alta velocidade do Sanyo Shinkansen, comboios regionais na Linha Yamaguchi, na Linha Principal Sanyo e na Linha Ube, além de ligações locais para zonas costeiras e do interior da prefeitura. Shin-Yamaguchi é a principal estação de comboios para viagens intermunicipais e de alta velocidade, enquanto a Estação de Yamaguchi trata dos comboios regionais na Linha Yamaguchi.
As rotas ferroviárias a partir de Yamaguchi seguem para leste em direção a Hiroshima, Okayama, Kobe, Quioto e Osaka, para oeste em direção a Kokura e Fukuoka, para norte pela Linha Yamaguchi em direção a Tsuwano e Masuda, e para sul em direção a Ube e às comunidades costeiras. Reserve online comboios de e para Yamaguchi na Rail Monsters.