伯備線
1982年の全線電化後も、米子側の区間列車、非電化の井原鉄道井原線や芸備線に直通する列車などで気動車が使用されている。
普通列車は新見駅で運転系統が分かれているが、全線を通して運転する列車も2023年3月18日のダイヤ改正時点で下り1本設定されている(岡山発米子行き)。全列車が倉敷側は岡山駅、伯耆大山側は米子駅まで乗り入れる。さらに岡山駅からは山陽本線や赤穂線を介して、兵庫県内に乗り入れる運用があり、山陽本線は相生駅・姫路駅(かつては西明石駅)まで、赤穂線は播州赤穂駅まで、米子駅からは山陰本線を経て島根県の西出雲駅まで直通する列車もある(それぞれ岡山駅・米子駅を境に別列車扱い)。普通列車の車両の夜間滞泊は備中高梁駅と新見駅で行われている。
長らく伯備線のみを走行する列車はなかったが、2014年3月のダイヤ改正で備中高梁発早朝4時台に倉敷行きが設定された。2022年3月12日のダイヤ改正でこの列車の運転が取りやめられ、伯備線のみを走行する列車が消滅した。また、2014年3月から倉敷駅発着列車としては朝に倉敷発西出雲行きが設定されていたが、2022年3月のダイヤ改正で岡山発米子行きに変更された。
倉敷駅 - 総社駅間では1時間に2本程度、総社駅 -備中高梁駅間では1時間に1 - 2本程度、備中高梁駅 - 新見駅間では1 - 2時間に1本程度の運転となる。
2018年7月の西日本豪雨の際には山陽本線の一部区間が不通になったことに伴い、同年8月28日(始発駅基準)から伯備線・山陰本線・山口線に迂回する貨物列車が1往復臨時運行されることになった。同年9月30日に山陽本線の最後の不通区間である三原駅 - 白市駅間が開通することになったため、迂回貨物列車の運行は9月28日に終了した。しかし山陽本線は台風24号の影響で2018年9月29日に柳井駅 - 下松駅間が不通となったため、同年10月5日から再び伯備線・山陰本線・山口線経由の迂回貨物列車が運行されることになった(当線通過は6日から)。同月13日に山陽本線が全線開通することになったため、迂回貨物列車の運行は11日に終了した。
コンテナ車で編成された高速貨物列車(2012年2月10日 上石見駅 - 下石見信号場間)
平日・土曜6時台には新郷発岡山方面播州赤穂行きの列車が設定されており、岡山支社岡山電車区所属の3両編成の115系電車が使用される。この列車は新見駅から一旦、上石見駅まで回送され、折り返し新郷駅まで回送されて播州赤穂行きとなる。日曜・祝日は新見始発で運行されるため、新見駅から新郷駅までの回送は行われない。
伯備線で運転されている列車のほとんどは電車であるが、一部列車に気動車が使われてきた。岡山気動車区所属のキハ120形気動車が2014年3月15日のダイヤ改正で、新見駅 - 米子駅間の昼間と夜間の各1往復に投入された。2017年3月4日のダイヤ改正時点では昼間の1往復だけの運用となり、2022年3月12日のダイヤ改正ではキハ120形気動車の同区間での運用が終了した。新見駅 - 備中神代駅間には芸備線の列車が乗り入れる列車(全てキハ120)が走行しており、途中の布原駅には芸備線直通の普通列車のみが停車する。さらに、キハ120形気動車は伯備線内の他区間でも使用されていた。米子支社後藤総合車両所運用検修センター所属のキハ121形気動車が生山駅 - 米子駅間の夕方の1往復、同所属のキハ126形気動車が同区間の昼間の1往復に使用されている。
編成は2・3・4・6・7両編成であり、2両編成の列車は一部列車を除いてワンマン運転を行うが、備中高梁駅以南は車内精算を行わない都市型ワンマンとなっている。平成初期には新見駅 - 岡山駅間にて快速列車が設定されていたこともあったが、現在は各駅に停車する普通列車に格下げされている。なお、ドアの開閉は通年各駅半自動扱いとなるが、2020年4月以降は新型コロナウイルス感染症(COVID-19)の拡大防止による車内換気向上のため、一部の列車や駅では半自動扱いを休止して自動扱いになっている。また、清音駅 - 総社駅間は井原鉄道の第二種鉄道事業区間で伯備線と施設を共用しており、井原鉄道井原線の列車も運行される。ただし両駅の改札や乗り場は伯備線と分離されており、この区間で井原鉄道の列車に乗車する場合、JRの乗車券は使用できない。
新見駅 - 生山駅間は2 - 3時間に1本程度の運転で、下り列車は最大4時間ほど普通列車が設定されていない時間帯がある。生山駅 - 伯耆大山駅間は1 - 2時間に1本程度運転されている。主に岡山支社岡山電車区所属の2両編成の115系電車を用いて、2018年3月17日ダイヤ改正時点で全ての列車がワンマン運転を行っている。
酒津仮停車場:1962年廃止、倉敷駅 - 清音駅間、倉敷駅起点2.5km。酒津公園観桜用の臨時駅。
貨物列車も運転され、コンテナ車で編成された高速貨物列車が1日4往復設定されている。牽引機はEF64形電気機関車である。
昭和30年代までは伯備線内の各駅で貨物の取り扱いをしており、木材や米、麦、木炭、葉タバコなどが大阪、神戸などの関西地区へ発送されていた。また、新見市内の駅からセメントや製鋼用生石灰などが発送されていたが1986年までに廃止された。伯耆大山駅は山陰本線所属駅のため、伯備線所属駅での貨物の取り扱いはなくなった。
定期列車のほか、東海道本線・山陽本線に不通区間がある場合に貨物列車の迂回経路として利用されることがある。
1995年2月11日から3月30日までの間、阪神・淡路大震災による不通区間を迂回する形で、吹田操車場(現在の吹田貨物ターミナル駅) - 西岡山駅(現在の岡山貨物ターミナル駅)間に福知山線・山陰本線(米子駅で折り返し)と当路線を経由する貨物列車が設定された。