概要
単線の路線には、線路(通常の鉄道の場合、一定の幅に保った2本のレールが延びている)が1本しかない。つまり、路線上の特定の地点には1編成しか列車が存在できない。
この状況にある場合、鉄道等では、営業運転において環状運転などで一方通行の運転を行っている場合(舞浜リゾートライン(ディズニーリゾートライン)、ポートライナー、富山地方鉄道環状線など)を除いて上り下りとも一本の線路で運転しなければならない。
そのためすれ違い（これを「列車交換」という）のため、駅や信号場(分岐器や信号設備が設けられ運転扱いは行われるが、旅客や貨物の取扱を行わない停車場)などで待ち合わせが必要となる。全線を複線にできないが、待ち合わせに時間を掛けたくない場合、羽越本線などのように一部の区間だけを複線にすると、その区間だけお互いに走行しながらすれ違うことができるようになる。
極端な話をすれば、始発駅から終着駅までその路線に一対の線路しかなく、途中に行き違い設備も設置されていない場合、車両の運行に強い制限がかかり、たとえば一方向に複数車両を走らせる、途中駅で分割運行させるなど、運用が限られることになる(例として関東鉄道竜ヶ崎線など)。
対義語としては複線（複々線などを含む）がある。別系統の単線が平行して敷設され、見かけ上複線のように見える場合もある(単線並列)が、これは上り列車用と下り列車用をセットで敷設する複線とは似て非なるものであり、単線並列の輸送力は複線と異なり単純に2倍にしかならない(複線の場合閉塞方式にもよるが単線の3倍以上の列車を運行できる。さらに待ち合わせ時間がなくなるため高速化にも有効)。単線並列の事例は別の路線(軌間や電圧が異なる)が組み合わさる事例も存在するが、あまりにも規格が違えば見かけが複線から掛け離れていく。
運用
この状況は大都市圏外の地方の路線(ローカル線や第三セクターに転換された路線、および中小私鉄)、また大都市近郊においては盲腸線(片方が他の鉄道と連絡していない路線)や引込線(車両基地や工場などをつなぐ路線)など輸送力が少なくてもかまわない路線において見られる。
当然ながら複線の方が輸送力は圧倒的に高いものの、いったん単線で開業した後に利用客が増えて複線化しようとした場合、土地や設備等の買収などが絡んで思うように複線化できない場合が存在する（代表的な例としてはJR西日本奈良線など）。そのため開業時にあらかじめ複線分の用地を確保しておき、後からスムーズに複線化できるよう計らっておく場合もある(伊勢鉄道などの路線がそれである)。
一方で複線で開業したものの、各種理由により後に単線化した例も存在する。阪急嵐山線、御殿場線(元東海道本線)および参宮線(現在の紀勢本線の一部を含む)では現在は単線運行であるが、よく見ると路線が複線分敷けるスペースが存在する部分がある。よくある例は、第二次世界大戦中に不要不急線とされて片方の線を金属供出させられたもので、需要が高い路線は戦後に再度複線化されているのだが、「もともと輸送力に対して設備が過大だった（嵐山線）」「新線（熱海経由ルート）開通後に需要が減っていた（御殿場線）」「競争相手の交通機関に負けた（参宮線）」などの場合は単線のままにされた。
また、稀にある例として、土地等の関係で複線区間の一部のみ単線になる路線も存在している(名鉄名古屋本線は通常は全線複線以上として知られるものの、名鉄岐阜駅すぐそばの東海道本線・高山本線との交差部分だけが単線となっている)。この場合単線区間がダイヤ設定上のボトルネックとなる。
他にもJR西日本山陰本線の京都駅を出てすぐの部分（複々線の東海道本線が並行しているのでわかりづらいが、東海道線と合わせて5線しかない部分が存在する）がわずかだが単線区間となっている（通常は京都ー園部間が複線扱いとなっている）。
運転方法
上下線を1本の線路で行う単線の運行にあたっては、待ち合わせのための列車交換設備を持つ駅や信号場の間で閉塞と呼ばれる区間設定をし、その区間には1編成しか列車を入れないことによって正面衝突事故や追突事故を防ぐ方法が採られる。
この閉塞という概念は、冒頭で述べた、単線における「一方通行を除き、ある特定の地点には1編成しか列車が存在できない」というものを理解する上で非常に重要である。
どの列車に通行権を与えるかについて、最も原始的な方法は、その閉塞区間を通行する列車に何らかの通行許可証を持たせることで、1編成以上の列車を閉塞に入れないという方法である。
例としては、スタフと呼ばれる通行許可証を出発駅で受け取ってから出発、閉塞区間に入り、列車交換設備のある到着駅でスタフを係員に渡し、係員は次に発車するべく待機していた列車へ受け取ったスタフを渡すことで次の列車にスタフを持ってきた列車が来た閉塞区間への出発の許可が出るというものである。これは、一部の単線の路線において現在も行われている方法である。
時代が進み、これを自動化したものが列車の位置を検出するシステムの登場による鉄道用信号機を使用した制御である。
ある列車交換場所からの発車について、その先の列車の有無を自動的に検知することで閉塞区間の安全を確認し、信号機を使用してその閉塞区間への進入の可否を制御するというもので、この技術を導入した路線では無人の信号場が誕生し、駅においても列車交換業務を扱う係員はいなくなった。
列車の位置を検出するシステムに不調が発生した場合は、手動ですべての信号機を赤にした上で無人の信号場や列車交換を行う駅へ係員を派遣し、列車を走らせようとする閉塞区間に列車が存在しないことを確認してから先の通行許可証に相当するもので列車の制御を行う運行に変更、原因を突き止めて正常な状態に復旧するまで続けるのが鉄則であるが、運行責任者がこの鉄則を破ったことによる対向列車との正面衝突事故が実際に発生している他、自動列車停止装置の整備が完全でなかった時代には、運転士が信号無視して列車を閉塞区間に進入させたことによる対向列車との正面衝突事故というものも実際に発生している。
タブレットと呼ばれる小型軽量な通行許可証の登場後、信頼できる列車の位置を検出できるシステムの登場前は、長距離の単線で列車交換場所がいくつもある路線において、列車交換場所を通過する列車では、走りながらそれまでのタブレットをタブレットキャッチャーへ放り込み、その先に置いてある次の閉塞区間のタブレットを走りながら受け取るという荒業も行われた。
もちろん、次の閉塞区間のタブレットの受け取りに失敗した場合は、列車を停め、歩いて列車交換場所まで通行許可証を受け取りに行かなければならない上、駅や信号場では進入の信号機を赤にするなどの処置が必要になるというものであった。
単線と正面衝突事故
列車の正面衝突事故は、単線特有の事故である。
複線の路線がダブルスリップポイントで接続されている場合の通過中にも起きえる事故ではあるが、ここでは割愛させていただく。
その原因は人的な取り扱いのミスに起因するもので、天災の側面はほとんどない。
以下に日本で起きた実例をいくつか紹介する。
- 1877年10月1日、東海道本線 住吉駅 - 西ノ宮駅（現：西宮駅）間において、住吉駅側で待機していた回送列車が、機関士の判断ミスで西ノ宮駅側から臨時列車が設定されて定期列車とともに2編成連続で送り出された1編成目の到着直後に発車、正面衝突事故に至った。この頃は通行許可証による運行の制御は行われておらず、駅間の電信連絡によって制御されていた。
- 1916年11月29日、東北本線（現在の青い森鉄道線）下田駅 - 古間木駅（現：三沢駅）間（当時向山駅は未開業）において、下田駅側から列車の発車を伝える票券閉塞機の電鈴が鳴ったため古間木駅側で了解の操作を行って票券閉塞機をロックしたものの、責任者への引き継ぎがなされず、直後に古間木駅へ到着した貨物列車へ票券閉塞機の故障と判断して針金を差し込んで不正に取り出した通票を渡して出発させ、正面衝突事故に至った。
- 1945年8月24日、八高線 小宮駅 - 拝島駅間において、通信途絶によって票券閉塞ができなくなったため、小宮駅助役が指導式の代用閉塞に変更、拝島駅へ適任者を送り出したものの、直後に八王子駅から機関車が来たことで心変わりを起こして列車の進行順序を入れ替える運行計画に変更、「ただ1人の指導者」という指導式代用閉塞の鉄則を破って2人目の適任者を送り出したため、拝島駅ではどちらを信じればよいのかわからなくなって混乱の極みになり、拝島駅では1人目の適任者の内容に従って列車を出発させ、小宮駅では2人目の適任者の内容に従って列車を出発させたため、駅間の多摩川橋梁中央部において正面衝突事故に至った。
- 1947年3月31日、室蘭本線において、小幌信号場へ機関車の不調をきたした貨物列車が臨時停車、小幌信号場の助役と機関士の会話を誤認して受け取った転轍手が信号掛を通じて静狩駅へ旅客列車の発車を依頼、静狩駅から旅客列車が出発した直後に小幌信号場で機関車の修理が完了した貨物列車が発車、正面衝突事故に至った。
- 1991年5月14日、信楽高原鐵道信楽線にて、JR西日本が設置した方向優先テコの存在を知らされていない信楽高原鐵道側がJR西日本によって方向優先テコを操作されたために信楽駅で大混乱に陥り、信楽高原鐵道では信号機の故障と判断して指導式代用閉塞の発動を決定。その後、小野谷信号場に係員がたどりつく前に信楽駅で列車を発車させ、さらに完全に代用閉塞へ切り替える前に信号システムの修繕を開始したため小野谷信号場の信号機が青信号になったことから小野谷信号場で待機していた列車も発車、正面衝突事故に至った。
