主に私鉄⇔地下鉄、JR⇔地下鉄、など別の鉄道会社同士が互いの車両を相手の会社の路線へ乗り入れる「相互直通運転」を指す。どちらか一方だけの場合は「片乗り入れ」とも言う。その歴史は古く、昭和初期には東京地下鉄道と東京高速鉄道が相互乗り入れを行なっている（これは今の東京メトロ銀座線であり、両者は後に合併し同じ路線となった）。

都市における直通運転

日本で現在のような都市の地下鉄と郊外との私鉄による相互乗り入れが始まったのは、1960年の都営地下鉄浅草線と京成電鉄押上線との相互乗り入れが始まりである。

首都圏では前述の浅草線と京成とその後さらに乗り入れるようになった京浜急行電鉄のように、郊外の私鉄同士の中間に地下鉄を建設して両者を繋ぐという形態が多く、地下鉄はその大部分が他社との相互直通運転を行っている。

一方、首都圏以外の都市では、阪神電気鉄道が山陽電気鉄道と神戸高速鉄道を介して乗り入れする、名古屋鉄道の犬山線と豊田線とを名古屋市営地下鉄鶴舞線が結ぶなど僅かしか見られない。大阪などではOsakaMetroと郊外私鉄との集電方式が違う（OsakaMetroでは5路線が第3軌条方式による集電である）ため、最初から相手の仕様に合わせて建設された堺筋線（阪急電鉄と相互乗り入れ）を除けば、事実上地下鉄の延長みたいな御堂筋線と北大阪急行電鉄等の私鉄側が仕様を合わせる形での相互乗り入れのような例が多い。

JRの東海道新幹線⇔山陽新幹線、山陽新幹線⇔九州新幹線、北陸新幹線、東北新幹線⇔北海道新幹線の場合は互いに違う会社同士の路線による相互乗り入れで、東海道・山陽の場合はもともと国鉄の路線だったものが、分割民営（JR）化したことによる。逆に前述の銀座線のように、会社の合併により同じ路線となり相互乗り入れの形式が解消されたパターンもある。

また双方の経営状態が思わしくなく、相互乗り入れが廃止されてしまった例（JR四国牟岐線⇔阿佐海岸鉄道）も。

メリットとすれば、乗り換え無しに目的地まで一本の電車で行けるという点があり、反面デメリットとしては運賃は互いの会社同士で区切って計算するため、（若干の割引はあるが）割高になる事が挙げられる。

例えば、浅草線浅草駅から京成押上線京成曳舟駅間は距離にして2.6キロ、2駅間ながら運賃は280円かかるなど、利用客の立場的には利用しにくいコストパフォーマンスとなる。

また、ダイヤが乱れた際の被害範囲も広大になる。

首都圏における最悪のパターンは横須賀線が絡んだ場合で、ともすればJR路線で平常運転なのは中央快速線と中央・総武緩行線と常磐緩行線だけ、なんてことにもなりかねない。従来は他に常磐快速線と成田線（我孫子～成田間）が独立していたものの、上野東京ラインの開通により巻き添えの範囲内となった。さらに、埼京線が相鉄線との直通を開始したため、巻き添え範囲は更に広大となった(その相鉄は東急や東京メトロなどと直通を開始している)。
間接的に線路が繋がっているととばっちりを喰らう例もある。例えば東武東上線が遅延した場合直通先の東京メトロ有楽町線・副都心線が遅延し、2線のもう一つの直通先である西武池袋線系統に遅延が波及する例など(逆も然り)。この系統の酷い例として、西武池袋線の遅延が副都心線と東急線を介して都営三田線に波及したことがある。超広域ネットワークは、それだけ遅延時の影響も大きくなりかねないのだ。