1991年（平成3年）には振子式気動車の投入による高速化が要求されるようになり、同年11月には四国旅客鉄道（JR四国）の特急用気動車である2000系を使用した試運転が東城駅 - 広島駅間で行われた。2006年（平成18年）には地元経済界による芸備線と木次線の大幅な高速化が提言され、広島支社から本社に対し、広島周辺の一部区間の電化等の要望が挙がっていた。同社は公式には方針として表明していないが、過去の整備事業はほとんどが原則として地元負担となっており、これらは全額の地元負担がJR西日本本社の方針と見られるため、地元がどう資金を負担するかが鍵となっている。
かつては急行「ちどり」「たいしゃく」「みよし」などの優等列車が運行され、1980年代頃までは陰陽連絡線として多くの急行列車で賑わっていた。2007年7月1日に廃止された当線最後の急行「みよし」は、廃止直前時点で4往復が運転され、当時のJRの急行としては唯一2往復以上運行される列車となっていた。またほかの急行列車が客車や電車、一般形のキハ47形気動車を使用していたことから、急行形気動車のキハ58系で運用される日本で唯一の急行列車となっていた。国鉄時代は前述の急行列車を含めて1日10数本の運行だったが、広島駅 - 新見駅間を走破する列車も設定されていた。また、最終列車も早く、広島発では三次行きが21時台、志和口行きが22時台だった。これは1987年4月1日時点でも変わらなかった。なお、1980年9月30日までは、夜行「ちどり」を使って、広島駅を23時50分台に出て志和口駅・三次駅・備後庄原駅などに深夜に到着することができた。かつての優等列車は山陽本線・木次線・伯備線・姫新線などと直通で運転されていたが、晩年は芸備線内のみでの運転となっていた。一時期、可部線と直通する普通列車も存在し、臨時列車の急行「江の川」・快速「SLみよし」などは三江線に乗り入れていたが、いずれも現在は運転されていない。
この区間を走る列車はすべて伯備線の新見駅発着で、備中神代駅から芸備線に入る。伯備線の新見駅 - 備中神代駅間の布原駅は芸備線の列車のみが停車するため、運転系統上は芸備線扱いとなっている。新見駅からの列車の半分は東城駅までの運転で、備後落合駅 - 東城駅間は1日わずか3往復の超過疎路線であり、平均通過人員が1日8人と報じられたこともある。新見駅 - 東城駅間の朝の1往復は平日のみの運転である。2005年3月1日のダイヤ改正までは備後落合駅 - 東城駅間が5往復、東城駅 - 新見駅間が7往復であった。2000年3月11日のダイヤ改正では、土曜日も運転する列車が設定されていた。この区間は快速列車が、新見発備後落合行きとして早朝に1本のみ運転されている。この快速は、以前はキハ120形の方向幕に「快速 備後落合」という表示がないため、方向幕には「備後落合」とのみ掲出し、前面窓内側のワンマン灯下に「快速」（白地に赤文字）と記載された種別札を挿入したうえで運転されていたが、現在は方向幕に種別入りの幕が加えられたため、種別札は使用されていない。2004年夏には臨時快速としてキハ120形を使用した「奥出雲」号が新見駅 - 木次線出雲坂根駅間で運転された。
1980年4月25日、トラック運転手である大貫久男（おおぬき ひさお、1938年 - 2000年12月2日）が東京都中央区銀座3丁目の道路脇で現金1億円入りの風呂敷包みを発見。拾得物として警察に届け出た。このことが全国に報道され、大貫は一躍時の人になった。一方で自宅には電話や手紙が殺到し脅迫も受けたため、警備員を雇って11日間、自宅を警備した。同年9月には17年勤務した金物会社も退職。落とし主が現れなかったため旧遺失物法に基づき6ヶ月（当時。2007年12月以降は原則3ヶ月）の届け出期間を経て同年11月9日、全額の所有権を取得。11月11日、1億円を受け取った。うち所得税法第34条による一時所得として所得税約3,400万円を納付した。当時脅迫やいやがらせを受けており、受理の際は日課の早朝ジョギングを装って自宅を出発し、防弾チョッキで身を固めていた。その後、大貫は1981年にトラック運転手として再就職し、1982年に日本テレビのバラエティ番組『テレビに出たいやつみんな来い!!』の準レギュラーとして出演したりもした。1982年には拾得した1億円のうち3,690万円でマンションを購入したことが報じられた。1989年に川崎市高津区の竹やぶで1億円を拾われる事件（竹やぶ騒動）が起きたときに、「拾得物評論家」としてマスコミに登場したこともある。この事件をきっかけに、4月25日を「拾得物の日」としている。1981年9月7日にはこの事件をモデルにした『大貫久男氏、1億円拾得事件の真相』が坂上二郎の主演で国際放映がドラマ化して、テレビ朝日系列で放送された。本人も出演している。また、大貫の孫である大貫幹枝はよしもとクリエイティブ・エージェンシーのお笑いコンビ、夫婦のじかんのメンバーとして活動している（元・タカダ・コーポレーション）。