概要
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ことを指す。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）。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。
東京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、他地区では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）ため、最初から相手と合わせた堺筋線（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と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、会社の合併で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。
メリットとすれば、乗り換え無しに都心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（若干の割引はあるが）するため、割高になる事が挙げられ、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（一番酷いのは横須賀線が絡むパターンで、最悪の場合首都圏の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。従来は常磐快速線と成田線（我孫子～成田間）もそうであったが、上野東京ラインの開通により現在は巻き添えを食らう）。
前述したJR同士の場合は元が同じ国鉄だった関係上、分割民営化にあたっては運賃割高になるという理由で反対され、当時の政府が分割しても運賃を区切らないことで分割に納得してもらったという経緯があり、私鉄同士のように運賃は区切っていない。
田舎における直通運転
直通運転は都会だけではなく、地方にも存在する。この場合、第3セクターかJRのローカル線がJRの代表駅まで区間的に乗り入れる場合が多い。第3セクターでは若桜鉄道が郡家を経由しJR因美線の鳥取まで直通、JR同士だと左沢線が北山形から奥羽本線で山形まで直通、などがある。
逆に言うと都会とは異なりローカル線が本線の全区間を直通する例は少ない。またJRとの直通相手が地方私鉄より第3セクターに見られるのは、支線がかつて本線と同じ旧国鉄かJRという同じ鉄道会社の管轄で、線路の繋がっていた路線が第3セクター化されたものが多いためである。
別々の鉄道会社による相互乗り入れの例（北/東から南/西）
日本の全ての鉄道の直通運転を挙げるときりがないので、ここでは一部を挙げる。他にもいろいろあるので、できれば順次追記いただきたい。
また、以下の例のほかに、東武鉄道と野岩鉄道・会津鉄道（東武6050系）、阪急電鉄宝塚線と能勢電鉄線（能勢電鉄は阪急の子会社であることから、同社の中古車の払下げである。塗装も同じマルーン色）、JR土讃線と土佐くろしお鉄道（2000系）、IRいしかわ鉄道とあいの風とやま鉄道、青い森鉄道とIGRいわて銀河鉄道のように、車両使用料の相殺のために同一タイプの車両を保有するケースもある。
東北
- IGRいわて銀河鉄道と青い森鉄道
- JR東北本線と仙台空港鉄道
- JR東北本線とIGRいわて銀河鉄道
首都圏
- 東武東上線と西武有楽町線/西武池袋線と東京メトロ副都心線/有楽町線と東急東横線とみなとみらい線
- JR常磐緩行線と東京メトロ千代田線と小田急電鉄小田原線、多摩線
- 東武伊勢崎線（東武スカイツリーライン）と東京メトロ半蔵門線と東急田園都市線
- 東武鉄道と野岩鉄道と会津鉄道
- 埼玉高速鉄道と東京メトロ南北線/三田線と東急目黒線
- 東葉高速鉄道/JR総武線と東京メトロ東西線とJR中央緩行線
- 北総鉄道/京成電鉄/芝山鉄道と都営浅草線と京浜急行電鉄京急本線、空港線、久里浜線
- 東京臨海高速鉄道りんかい線とJR埼京線/川越線
- 都営新宿線と京王電鉄本線
北陸・中京圏
関西
- 北大阪急行電鉄南北線とOsakaMetro御堂筋線
- 近鉄けいはんな線とOsakaMetro中央線 - ゆめはんな
- 阪急電鉄京都線/千里線とOsakaMetro堺筋線
- 南海電気鉄道高野線と泉北高速鉄道線
- 近鉄奈良線/難波線と阪神なんば線/阪神本線
- 阪急神戸線/阪神本線と神戸高速鉄道と山陽電気鉄道本線(阪急は神戸高速鉄道新開地まで、阪神は山陽電鉄山陽姫路まで、山陽電鉄は阪神梅田までそれぞれ直通)
九州
同一会社内での直通運転の例
首都圏
JR東日本
- 宇都宮線/高崎線&上越線&両毛線/常磐快速線&成田線と上野東京ライン/山手貨物線(いわゆる湘南新宿ライン)と東海道線/横須賀線
- 中央緩行線と総武支線と総武緩行線(いわゆる中央・総武緩行線)
- 横須賀線と総武快速線と総武本線/成田線/内房線/外房線
- 中央快速線と青梅線と五日市線と八高線
- 八高線と川越線
- 京葉線と武蔵野線と内房線/外房線/東金線
- 横浜線と相模線（日中のみ相模線の車両が乗り入れる）
- 京浜東北線/横浜線と根岸線
私鉄
中京圏
関西
JR西日本
私鉄
- 阪急今津線と神戸線、箕面線と宝塚線、千里線と京都線
- 阪神なんば線と阪神本線
- 京阪鴨東線と京阪本線と中之島線
- 近鉄難波線/奈良線/京都線/橿原線/天理線
- 近鉄難波線/大阪線/山田線/鳥羽線/志摩線/名古屋線
- 近鉄南大阪線/吉野線/長野線/御所線
別々の鉄道会社による片乗り入れの例
- 新京成電鉄(新京成線)の列車が京成電鉄千葉線に直通
- 小田急電鉄小田原線の列車が箱根登山鉄道に直通
- 京阪電気鉄道京津線の列車が京都市営地下鉄東西線に直通
- 北越急行の列車がえちごトキめき鉄道妙高はねうまラインに直通
