位於山線的三義隧道是臺灣第三長的山岳隧道，連同兩端引道長達7728公尺，僅次於北迴線的新觀音隧道與南迴線的中央隧道，更是山線之冠，民國87（1998）年在山線雙軌化工程中啟用。

三義至泰安車站相隔10.9公里，是山線中兩站點最長距離。由三義車站南向首先就是三義隧道，隧道南口立有石碑寫著「通三義」，意味著隧道以北就是三義車站；隧道以南的路徑，先是藉鯉魚潭拱橋跨越景山溪，接著通過長約260公尺的三泰隧道，進入高架化鐵道，跨越大安溪橋後到達泰安站。三義隧道工程難度高，除了必須貫穿關刀山山脈，自三義車站以南地下化後，還須穿越中山高速公路下方約183公尺，為了確保公路行車安全，且適逢地質複雜的三義斷層地帶，工程需相當謹慎考量各方災害與影響，儘管如此，民國88（1999）年的九二一大地震仍然為三義隧道帶來不小的損害。