サンライズ出雲の運行ルートは、東海道本線、山陽本線、伯備線、山陰本線を経由する総延長800キロメートルを超える長距離ダイヤで構築されている。東京駅を出発した列車は、横浜、熱海、沼津、富士、静岡、浜松といった主要駅を夜間のうちに通過していく。深夜の沿線風景を駆け抜けた後は、西日本へと向けた夜間走行へと突入する。
下り列車の基本ダイヤは、東京駅を21時50分に発車。翌朝6時27分に岡山駅に到着し、ここで「サンライズ瀬戸」との分割作業が行われる。切り離されたサンライズ出雲は倉敷から北上して伯備線へと足を踏み入れ、新見、米子、安来、松江、宍道を経て、終点の出雲市駅には10時00分前後に到着する。朝の宍道湖の美しい車窓風景を眺めながら過ごす終盤のひとときは、まさに絶景の連続だ。
一方の上り列車は、出雲市駅を18時57分頃に発車し、松江や米子を巡って岡山駅へと向かう。岡山駅で四国から渡ってきたサンライズ瀬戸と連結し、翌朝7時08分に終点・東京駅へ到着する。この絶妙な時間設定こそが、出張帰りのビジネス客から縁結びの大社を目指す観光客まで幅広く支持される最大の理由と言えるだろう。