山阳小野田位于山口县西部,地处新山口和下关之间的山阳铁路走廊。该市有两个主要的客运铁路枢纽:用于新干线和区域铁路的厚狭站,以及服务市区各处的长门本山站。运营服务山阳小野田客运列车的是JR西日本,包括厚狭站的山阳新干线。
从山阳小野田出发的列车服务包括山阳新干线上的瑞穗新干线列车、山阳本线的区域列车、厚狭站的美祢线列车,以及长门本山和宇部周边的本地长门本山线列车。厚狭站是购买长途火车票的主要车站,而长门本山站则适合在山口县西部范围内进行本地铁路出行。
从山阳小野田出发的铁路线路向东通往新山口、德山、广岛和冈山,向西则经由更广泛的JR西日本和JR九州网络通往下关、小仓和福冈。本地线路也将山阳小野田与宇部和美祢连接起来。可在 Rail Monsters 在线预订往返山阳小野田的列车。