일본국유철도가 운영하던 홋카이도의 지방교통선으로, 무카와역에서 히다카 본선과 갈라져 히다카초역을 이어주는 노선이다. 원래 네무로 본선 카나야마역과 연결 계획이 있었지만, 국철재건법 시행으로 1984년 제2차 특정지방교통선에 지정되어 1986년 11월 1일 전구간이 폐지되었다.

일부 열차를 제외하고 히다카 본선을 경유하여 토마코마이역까지 직통하고 있었다. 폐지 직전 전구간 왕복운행이 4왕복 정도 있었고, 일부 구간운행 열차도 있었다.

연선에서 산출되는 크롬강과 석탄, 삼림 자원 개발을 위한 홋카이도 광업 철도 "카나야마선"으로 1922년 개업한 것으로, 1924년에 홋카이도 철도라고 개칭. 1943년에 삿포로선(현재 치토세선)과 함께 국유화되어 토미우치선이 되었다. 동시에 히다카 본선과 노선이 근접해 있던 누마노하타 방면 노선은 불요불급선으로서 휴지 처리(사실상 폐선)되고, 토요시로-무카와 간에 신선을 건설하고 히다카 본선과 연결했다.

토미우치까지 완성 후 공사는 계속되고 있었지만, 전시 중의 재정난이나 터널의 난공사(팽창성 지질)에 의해서 완성은 크게 늦어지면서 잔여구간 개통이 1958년, 전구간 개통은 1964년으로 미루어진다.

우여곡절 끝에 히다카초역까지의 노선이 완성되었지만, 카나야마역까지의 연장선은 국철재건법의 시행에 의해 공사가 중단되고, 토미우치선 전 구간이 제 2차 특정지방교통선에 지정 후 1986년 전 노선이 폐지되고 버스로 대체된다.