Brevikbanen ble betjent av et ekspresstog til Oslo hver dag. Opprinnelig kjørte det via Vestfoldbanen, men fra 1923 kjørte det via Bratsbergbanen. Hovedparten av trafikken var lokaltog til Porsgrunn og Skien. Inntil slutten av 1940-årene ble banen betjent av ti til tolv daglige tog i hver retning, men etter elektrifiseringen steg det til 19 i 1950-årene, ofte i fast timedrift.