Da Bratsbergbanen ble tatt i bruk for massetransport 4. desember 1916 besto den av den nye strekningen mellom Notodden og Eikonrød i Skien, og strekningen mellom Eikonrød og Eidanger som den delte med Grevskapsbanen. Grevskapsbanen var smalsporet, derfor hadde den felles strekningen tre skinner, slik at den kunne betjene begge systemene. Vanlig drift ble igangsatt 17. desember 1917, og høytidelig åpning skjedde 9. februar 1920. Fra 1. juli 1920 ble Tinnosbanen offisielt en del av Bratsbergbanen. Før vanlig trafikk ble igangsatt i 1917 ble det kun kjørt godstog for Norsk Hydros behov mellom Rjukan og havnen på Menstad. Den 11. februar 1920 ble forbindelsen Hjuksebø – Kongsberg åpnet, strekningen Kongsberg – Hjuksebø – Nordagutu er i dag del av Sørlandsbanen. Strekningen mellom Notodden og Borgestad ble elektrifisert 7. mai 1936. Brua over Sagtjernelva, i noen kilder kalt Svartufsbrua, ble sprengt 14. mars 1945, som en del av Operasjon Betongblanding. 27. august 2005 ble det satt opp ei minnetavle om aksjonen, denne befinner seg noen få minutters gange fra Valebøveien.