名古屋車両区所属のキハ11形気動車で運行されている。かつては伊勢車両区所属の基本番台（0番台）または100番台が使用され、300番台はごくまれにしか入線しなかったが、2015年8月より基本的に300番台が使用されるようになった。2016年3月の全線復旧時に伊勢車両区が廃止になり、同時にJR東海で運用されるキハ11は名古屋車両区所属の300番台4両 (303 - 306) のみとなったため、これが使用される。編成も単行（1両）がほとんどで、2両編成以上になる列車は少ない。また、2016年3月の全線復旧時からキハ25形気動車も使用されるようになった。名松線では繁忙期に2両編成となりキハ11形4両すべてを使うことがあるが、このとき検査等で不足が出た場合のみ使用される。
2009年10月の台風被害以前は、2009年3月14日改正時点で1日8往復が運転され、そのうち夜の松阪駅発下り最終列車が家城駅止まりであるほかは松阪駅 - 伊勢奥津駅間の運転であった。松阪駅 - 家城駅間が復旧した2009年10月15日からは、列車はすべて同区間の運転で、台風被害前と同じく、1日8往復が2時間に1本ほどの間隔で運転された。家城駅 - 伊勢奥津駅間の代行バスは、1日下り5本・上り6本の運行であった。上り列車には紀勢本線多気駅や、参宮線の伊勢市駅に（2010年3月改正前は鳥羽駅にも）直通する列車があった。家城駅 - 伊勢奥津駅間が復旧した2016年3月26日からは、松阪駅 - 家城駅間が1日8往復の運転で、うち6往復が松阪駅 - 伊勢奥津駅間全線の運転。家城駅 - 伊勢奥津駅間が前記の全線運転の列車に加え午前中に下り1本・上り2本の区間運転列車があり、あわせて下り7本・上り8本の運転になっている。紀勢本線や参宮線との直通列車はなくなり、すべて線内運転となった。民営化後の1989年からは、全列車がワンマン運転されている。かつて松阪駅からの家城駅行き下り最終列車に充当された車両は同駅で夜間滞泊となっていた。それ以前は最終列車の1本前の伊勢奥津駅行き列車も同駅まで回送されていたが、2006年8月20日に発生した構内留置車両が本線に逸走する事故と2009年4月19日に再び発生した同様の事故（これらの事故については「車両逸走事故」の節で詳述）を受け、管理体制の見直しが再検討され、2009年6月1日から伊勢奥津駅から家城駅まで回送していた列車を松阪駅まで回送して留置するように変更した。2016年3月の全線運行再開後は、当日使用する編成を始発前に松阪から回送し、終発後に松阪まで回送しており、家城駅での夜間滞泊は行われていない。通常、松阪-家城の票券閉塞区間において通券を使用して続行運転を行うのはこの回送時のみである。担当乗務員区は伊勢運輸区である。2018年（平成30年）2月24日には、伊勢運輸区が津市や津市観光協会と合同で、沿線の観光をPRするイベントを名古屋市の金山総合駅で開催した。
学園長は2009年より長女の佐藤仁美が務めていたが、海外出張費「約1億1500万円」のうち「約5600万円」を不正支出していたとして2015年11月に懲戒解雇。学園長の母親である常務理事佐藤富美子を諭旨解雇し、財務部長ら関係者を懲戒処分とした。また、今後同族経営体制を改めると発表した。2012年から2015年にかけ、法人会計から1500万円を私的流用し、学園長・小学校長である佐藤仁美が米国でフロリダ州の「ディズニーワールド」やラスベガスのカジノを訪れたり渡米してミュージカルを鑑賞するなどしていたことが判明。理事会は調査委員会を設置して事実関係を確認、今後役職の辞任勧告と流用分の弁済を求める。仁美学園長は、児童の修学旅行に合流して計34日間米国に私的に滞在し、ディズニーワールド、ラスベガスのカジノ、サンフランシスコのヨセミテ国立公園などを訪れ、経費として「約1700万円」を使用したほか、研修先開拓の名目で単身渡米し、23日間で約600万円をかけてミュージカル鑑賞などをしていた。法人クレジットカードの明細書にはアクセサリー店、宝石店などもあった。学園の法人カードを持っていたのは理事長と学園長だけ。文部科学省は、佐藤文理学園に「再調査」を指示。県は所管する同小、中学校、高校や専門学校に支出した過去数年分の補助金に不適切支出がなかったか財務書類の確認や担当者からの聞き取りなどを進めた。その後関東信越国税局の税務調査により、出張の計画書や報告書がなく、業務関連経費とは認められない支払いが他に「1千数百万円」あることが判明。学園の調査委員会が認定した分と合わせて「約7,500万円」は佐藤仁美の個人が負担すべき費用を法人の経費に見せかけていたと認定し、所得税（源泉徴収漏れ）と重加算税合わせ「追徴２千数百万円」を課した。法人は、元理事長に弁済させるとしている。なお2014年度、埼玉県は文理佐藤学園に「約6億7千万円」の補助金を交付し、国は昨年度、学園に「約1億7千万円」の補助金を交付するなど「計8億4千万円以上」の交付を受けていた。上田清司埼玉県知事は9月９日、定例記者会見で「県の補助金について、追加調査の結果次第では補助金の減額もあり得る」と話し、９月末に予定していた運営費補助金の交付を保留する意向を示した。上田埼玉県知事は、「補助金は税金であり、一切の不正や個人での使用は許されない」と指摘、「過去の報告では不適切な部分はなかったということだが、本当かどうか念のために調査している」と述べた（産経新聞2015年9月10日）。