パターンダイヤとは、列車やバスなどの公共交通機関が、一定の間隔で周期的に運行されることをいう。パターンダイヤの周期が"n"分であるとき、時間の間隔を取ってn"分サイクルまたはn"分パターン（または"n"分ヘッド）のようにいう。"n"は多くの場合、5, 6, 10, 12, 15, 20, 30といった60の約数である。鉄道におけるパターンダイヤは日中時間帯や夕ラッシュ時への導入が進んでおり、これまでパターンダイヤでなかった路線でもダイヤ改正によってパターン化が図られる事もある。また線路容量や停車駅、最高速度の違いなどの関係でパターンダイヤを設定できない場合でも、発駅時刻などをパターン化することにより利便性の向上に努めている場合もある(等間隔発車)。60の約数にすることで毎時の発車時刻が同じになり、利用者にとっては記憶しやすいダイヤとなる。これによって、利便性の向上や、利用客の増加といった効果を期待することができる。フリークエントサービスを指す場合、高度に周期的なダイヤを設定することを指す場合が多い（日本語の「頻繁運転」と同義。なお「頻繁」の英訳語が「frequent」である）。この利点を活かして周期的な列車やバスの接続を考慮してパターンダイヤが組まれることもある。交通結節点（ハブ）において、例えば、毎時00分、30分前後に各方面からの列車が集中して発着するようにし、相互に短時間で乗り換えができるようにするといった事例である。日本では例えば尼崎駅において、毎時05、20、35、50分前後に、JR神戸線の新快速と、JR神戸線から福知山線に乗り入れる普通列車、JR東西線からJR神戸線に乗り入れる普通列車が発着し、相互に1 - 3分程度で円滑に乗り換えられるダイヤが組まれている。パターン化を行った場合、事故や遅延が発生した際にパターンダイヤが維持できなくなり、回復が難しい場合がある。過密な路線では数分の遅延が増幅されて渋滞になることがあり、遅延を回復するために部分運休・運転取りやめを行う場合もある。あらかじめ各ダイヤに余裕を持たせて、少々の遅延であれば影響が出ないように設定されていることもある。また、すべての列車を等間隔で発車させるためには、車両の新旧を問わず、同じ種別では同じ性能で走らせる必要がある。そのため、既存路線に高性能車両を仮に導入した場合でも、加減速度や最高速度が低い車両が1編成でも運用される限り、高性能車両も加減速度や最高速度が低い車両に合わせて運転することとなる。ただし、パターンダイヤでも60の約数でない場合は、毎時の分が一定しない。例えば40分間隔運転の場合は2時間で3サイクルのため、1時間では周期性があるとは言い難い（例：京急空港線・都営浅草線・京成成田スカイアクセス線直通のエアポート快特・アクセス特急、アルピコ交通上高地線、養老鉄道養老線の一部区間）。また、都市鉄道では時刻のパターンよりも等間隔と本数を優先して、7分や8分（7分30秒も含む）周期を組む（大阪市営地下鉄・京阪神の各駅停車など）場合もある。また、近鉄のように、特急列車と急行列車以下でサイクルパターンが異なったものを組み合わせたものもある。線路容量や行き違い設備等の都合により、半端な数でのパターンが組まれることがある。とさでん交通伊野線の日中ダイヤでは、単線区間である鏡川橋～伊野間が21分間隔の運転となっており、毎時の分が一定していない。ダイヤの周期性を優先すると、必ずしも旅客の動向に対し適切な量の列車が運行されるとは限らなくなるが、利用しやすくなるというメリットがある。そこで列車本数の多い大都市を中心に、特に複数の列車種別を運行する路線ではダイヤに周期性を持たせる事例が多くなってきている。このようなダイヤは日中に採用されることが多いが、利用客数の変化に応じて、1日の中で異なる周期を組み合わせることも多い。また、阪神本線と山陽電気鉄道本線、近鉄南大阪線と長野線のように乗り入れを行う路線同士が異なる周期（例の場合、いずれも日中では前者が10分サイクルで後者が15分サイクル）を持っていることもある。この場合、周期が変わる接続駅で一部列車が時間調整のためや、列車接続や乗務員の交代を兼ねて長時間停車を行ったり、同等種別の列車であっても途中でサイクルが変化する節目の前後区間の駅に追加停車を行うことにより、時間調整（ヘッド調整）をする場合がある。ヨーロッパでは、ドイツ・スイス・オランダ・ベルギー・オーストリアなどの鉄道に、全国規模でのパターンダイヤが構築されている。これらの国では、前述の交通結節点となる主要駅において、毎時ほぼ同じ時刻に、異系統優等列車同士の接続が行われている事例も多い。時間間隔は、国によって異なるが、おおむね30分・60分・120分のいずれかとなっている。

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