廃止時点では専ら浜田鉄道部所属のキハ120形気動車が使用され、1両または2両での運転が基本だったが、廃止が近づいてさらに乗客数が増加したことで、2017年12月より一部列車が3両編成で運転されることもあった。廃止直前はさらなる乗客数の増加を受け、本来の車両だけでは不足したため、木次鉄道部や下関総合車両所新山口支所のキハ120形も応援に入った。キハ120形は、1994年（平成6年）6月1日から運用を開始した。かつては三江北線では米子機関庫浜田分庫の蒸気機関車が使用されており、当初は500形、つづいて1070形にかわった。1934年（昭和9年）11月8日にキハ40000形2両で石見江津 - 石見川本間の運行を開始。1939年（昭和14年）からC12形も使用された。戦後はC12形5両で旅客、混合列車を運転していたが1957年（昭和32年）3月からは旅客列車はディーゼルカーに置き換わり、1959年（昭和34年）よりC56形が貨物列車に使用された。貨物列車は1974年（昭和49年）11月30日限りでDD16形ディーゼル機関車にかわった。三江南線は開業時はキハ20形2両により運行された。1984年ごろは基本は2両編成で浜田機関区（現在の浜田鉄道部）所属のキハ47形、キハ40形、キハ45形、キハ23形が中心となり、口羽-三次間、直通の一部は三次運転区のキハ47形、キハ40形、キハ45形、キハ23形が運用されていた。JR化後は、キハ120形が導入されるまではキハ40形による単行でワンマン運転を行っていた。
毎年8月16日に、江の川祭りの開催に合わせて江津駅 - 石見川本駅間で運転された。江津駅の発車は21時40分頃で、終点の石見川本駅に到着後、江津へ回送されていた。時刻表では「江の川祭号」として記載されてるが、駅の電光掲示板や増発案内の張り紙では列車名の記載はなく、普通列車扱いとなっていた。例年は1両編成で満員状態であったため、最終運行となる2017年8月16日はキハ120形の石見神楽ラッピング車両を含む2両編成で運行された。
2015年（平成27年）8月30日に、三江線の全通40周年を記念して江津駅 - 三次駅間で運転された。この列車にはキハ126系（石見神楽ラッピング編成）が使用され、浜原駅ではキハ120形の神楽ラッピング編成を使用した定期列車との列車交換が設定された。また、浜原駅周辺で様々な記念行事が行われた。
2013年（平成25年）3月10日、6月29日、2015年（平成27年）10月17日に、地元有志らによって三次駅 - 浜原駅間で臨時イベント列車が運転された。これは車内に畳を敷いた簡易お座敷仕様に加え、ボックス席を遮光カーテンで仕切った簡易更衣室を設けコスプレイベントを開催するというものだった。
毎年三次市で行われる三次市民納涼花火まつりでは、花火の打ち上げ会場に近い馬洗川橋梁で長時間停車し、花火を鑑賞する「花火鑑賞列車」が毎年運転されていた。しかし2011年（平成23年）以降は運転されず、廃線を迎えた。
甘利氏は甲斐源氏の始祖武田信義の子で、甲斐国巨麻郡余戸郷に比定されている甘利荘を本貫とした一条忠頼の子行忠を始祖とする。行忠は甘利荘内に館を構えて甘利氏を称したという。館跡は現在の山梨県韮崎市旭町上条北割の大輪寺境内にある。鎌倉時代の元暦元年（1184年）6月14日、忠頼は鎌倉の源頼朝の刺客により誅殺され、子・行忠も父に連座して常陸国に配流・翌年4月に殺害された。頼朝による甲斐源氏の勢力削減策の一環とみられる。甘利荘はこの際に接収されており、鎌倉後期には北条得宗領となっている。ただし南北朝期の訴状で、甘利荘が忠頼の子孫に返付されたことが先例にみえ、甘利荘は北条領から甲斐源氏一族に返却されたと考えられているが、甘利氏の下に戻ったのかは不詳。「忠頼の子孫」も、甘利行忠の子・行義を指すとも、行忠の甥で甲斐一条氏（一条忠頼の家）の名跡を継いだ一条信長かともされる。『続群書類従』の「武田系図」によれば、甘利行忠の子・行義の後は、頼高━頼行━宗信と続いているが。それ以降は不明である。その後、甘利氏は断片的に史料に登場し、戦国時代には武田氏家臣の譜代家老で「両職」を務めたと言われる甘利虎泰（備前守）、虎泰の子甘利信忠（昌忠）とその子息・信頼、信忠の弟とされる甘利信康（郷左衛門尉）、武田勝頼に仕えた甘利信恒（三郎次郎、信康の子か）ら甘利姓の人物が武田家臣として見える。ただし一族が甘利荘に拠ったかは不明瞭である。甘利信康は虎泰の次男で、天正3年（1575年）5月21日の長篠の戦いにおいて戦死したという。信康の子・信恒（三郎次郎）は事跡不明であるが、『当代記』によれば天正4年9月に遠江国小山の陣中で殺害されたとしている。信忠の子・信頼（二郎四郎）は永禄10年（1567年）に信忠が死去すると、幼少であったため『甲陽軍鑑』によれば米倉丹後守が「陣代」を務めたという。さらに甘利信康が名代であったとも考えられている。信頼も長篠の戦いにも従軍し、以後勝頼に仕えて活動している。『甲乱記』によれば、天正10年（1582年）3月の武田氏滅亡の際には大熊長秀・秋山摂津守とともに離反した人物に「甘利左衛門尉」があり、これが信頼を指しているとも考えられている。その後の動向は不明。自民党の衆議院議員で、麻生内閣では内閣府特命担当大臣、第2次安倍内閣では内閣府特命担当大臣（経済財政政策担当）に就任した甘利明も子孫の一人とされる。