貨物列車も運転され、コンテナ車で編成された高速貨物列車が1日4往復設定されている。牽引機はEF64形電気機関車である。かつては、新見市内の駅からセメントや製鋼用生石灰などが発送されていたが、1986年までに廃止された。上記の定期列車のほか、2018年7月の西日本豪雨により山陽本線の一部区間が不通になっていることに伴い、同年8月28日（始発駅基準）から伯備線・山陰本線・山口線に迂回する貨物列車が1往復臨時運行されることになった。同年9月30日に山陽本線の最後の不通区間である三原駅 - 白市駅間が開通することになったため、迂回貨物列車の運行は9月28日に終了した。しかし、山陽本線は台風24号の影響で2018年9月29日に柳井駅 - 下松駅間が不通となったため、同年10月5日から再び伯備線・山陰本線・山口線経由の迂回貨物列車が運行されることになった（当線通過は6日から）。同月13日に山陽本線が全線開通することになったため、迂回貨物列車の運行は11日に終了した。
山陽地方と山陰地方を連絡する列車として、岡山駅 - 出雲市駅間の特急「やくも」が約1時間間隔で1日15往復運行されている。また、東京駅 - 出雲市駅間の寝台特急「サンライズ出雲」が1日1往復運行されている。いずれも伯備線の全区間を経由する。
山陽地方と山陰地方を結ぶ陰陽連絡路線の一つであり、中国山地を越えて鳥取県（伯耆国）と岡山県（備中国）を結んでいる。陰陽連絡路線では初の全線電化や改良工事が行われ、複線区間が存在し、陰陽連絡路線では最も運転本数が多い。倉敷駅 - 新郷駅間は高梁川水系、上石見駅 - 伯耆大山駅間は日野川水系に沿って走行し、曲線と急勾配が多い。また、陰陽連絡路線では美祢線と並ぶ数少ない幹線であるが、美祢線が貨物輸送の統計上の理由で幹線になった経緯があるため実質は地方交通線並みであることを考えると唯一の幹線といえる。倉敷駅 - 新郷駅間はJR西日本岡山支社が管轄、上石見駅 - 伯耆大山駅間は同米子支社が管轄している（両支社の境界は新郷駅 - 上石見駅の中間付近で、谷田トンネルの新見寄り出入口の手前にある）。2016年春から導入された路線記号はV、ラインカラーは緑色（■）。この路線記号とラインカラーは、当初は岡山・福山エリアとして新見駅以南のみを対象とする予定であったが、後に山陰エリアとして新見駅以北も対象に加えられ、事実上全線通しで適用されることが決まった。全線がIC乗車カード「ICOCA」エリアに含まれている。ただし、備中高梁駅 - 伯耆大山駅間は特急停車駅（新見駅・生山駅・根雨駅）のみで乗車券機能だけが利用可能であり、ICOCA定期券は発売されない。
ロケットの歴史は古く、西暦1000年頃には中国で、今のロケット花火の形態が発明され武器として利用され、火箭（現在でも中国では火箭軍などロケットにこの名称が当てられている）と呼ばれた。1232年、モンゴル帝国との戦いで使用されたという記録がある。その後、モンゴル人の手に渡り各地で実戦に投入された。14世紀半ばには中国の焦玉により多段式ロケットが作られた。1792年にはインドのマイソール王国の支配者ティプー・スルターンによって対英国、東インド会社とのマイソール戦争で鉄製のロケットが効果的に使用された（→マイソール・ロケット）。マイソール戦争終結後、このロケットに興味を持った英国は改良を加え、19世紀初頭までにコングリーヴ・ロケットを開発した。開発の中心人物はウィリアム・コングリーヴであった。米英戦争の米国におけるボルティモアの戦い（1814年）では、英国艦エレバス（HMS Erebus）からフォートマクヘンリーに向けてロケットが発射され、観戦していた弁護士フランシス・スコット・キーによってアメリカの国歌『星条旗』に歌われるに至った。同様に1815年のワーテルローの戦いでも使用された。初期のロケットは回転せず、誘導装置や推力偏向を備えていなかったので、命中精度が低かった。初期のコングリーヴのロケットでは長い棒をつけた。（現代のロケット花火に似ている）大型のコングリーヴのロケットは重量14.5kg、棒の長さは4.5mだった。1844年にウィリアム・ヘール(William Hale)によって改良されたロケットでは噴射孔に弾体を回転するための偏流翼が備えられ、回転するようになり安定棒が無くても命中精度は向上したものの、改良された大砲に射程距離、命中精度が劣ったので下火になった。徐々に改良が加えられたが、ライフリングや鋼鉄製砲身等の大砲の改良により射程距離、精度が高まってくると、誘導装置のないロケットの使用は信号弾等、限定的なものになっていった。第二次世界大戦以降、カチューシャ、バズーカ、MLRSなどの形で復活する。日本でも、鎌倉時代に元が攻めて来た（元寇）時に元軍により使用されたという。戦国時代には狼煙として使われ、江戸時代に入ると各地で伝承されてきた。埼玉県秩父市の椋神社で毎年10月に行われるロケット祭り（龍勢祭り）や静岡県藤枝市岡部町朝比奈、同静岡市清水区草薙、滋賀県米原市等、各地で古くから龍勢（流星）の打ち上げが行われてきた。現在でも打ち上げられる龍勢は木材を竹タガで締め、内部に黒色火薬をつき固めた端面燃焼ロケットである。この龍勢祭りの起源は明確な記録がなく明かではないが、鉄砲伝来後の戦国時代以降の狼煙が、その後の平和な時代になって龍勢（流星）となって農村の神事・娯楽に転化したという説が有力である。