Der Eröffnungszug auf dem ersten Streckenabschnitt Dresden-Pirna 1848 wurde von der Lokomotive "Pirna" gezogen. Viele Jahre kam auf der Strecke auch die erste betriebsfähige deutsche Dampflokomotive "Saxonia" zum Einsatz, die Professor Andreas Schubert damals in Dresden-Übigau baute.

Im Zuge der Gründung der Deutschen Reichsbahn entstand das Bahnbetriebswerk (Bw) Pirna unweit des zweiten Pirnaer Bahnhofes Richtung Dresden. Der Ringlokschuppen des Bw besaß 15 Stände mit Drehscheibe. Bis 1966 blieb das Bw Pirna eine eigenständige Dienststelle, danach wurde es dem Bw Dresden-Friedrichstadt angegliedert. Es war hauptsächlich für den Einsatz der Lokomotiven auf den Nebenstrecken verantwortlich.

Der Bestand an Dampflokomotiven wechselte oft, wobei jedoch ab Mitte der 30er bis in die 60er Jahre die Baureihen (BR) 38, 58, 86, 91 und 94 dominierten. Eine der letzten betriebsfähigen sächsischen Dampfloks, die 1910 von der Sächsischen Maschinenfabrik (ehem. Hartmann) in Chemnitz gebaute BR 38 205, gehörte lange zum Bw Pirna. Sie wurde erst im Frühjahr 1998 nach Ablauf der Kesselfrist außer Dienst gestellt. Bis dahin war sie meist bei Sonderfahrten und Jubiläen im Einsatz.

Im Nahverkehr kamen Ende 1950 die ersten Doppelstock-Einheiten und die Neubau-Dampflokomotiven BR 65 und BR 23 (später BR 35) auf die Strecke. 1959 wurde der Wendezugbetrieb eingeführt. Die Dampflokomotiven mußten schon nach wenigen Jahren den neuen dieselhydraulischen Lokomotiven der Baureihe V 180 (später 118) weichen. Mit Beginn des elektrischen Fahrbetriebes 1976 kamen Lokomotiven der Baureihen 211, 242 und 250 zum Einsatz. Diese wiederum wurden Ende der 80er Jahre durch die Neubaulokomotiven der Baureihe 243 abgelöst, die bis heute als BR 143 ihren Dienst versieht. Infolge des hohen Fahrgastaufkommens bildete man früher die Züge oft aus zwei vierteiligen Doppelstockeinheiten.

Im Fernreiseverkehr prägten mehr als 3 Jahrzehnte die Zugpaare des "Balt-Orient-Express" (Berlin-Bukarest), des "Hungaria-Express" (Berlin-Budapest) und "Vindobona-Epress" (Berlin-Wien) das Bild der Strecke. Die letzten beiden wurden viele Jahre mit Triebwagen gefahren. Beim "Vindobona-Express" wechselten sich die Tschecheslowakische Staatsbahn (CSD), die Österreichische Bundesbahn (ÖBB) und die Deutsche Reichsbahn (DR) turnusmäßig beim Triebwageneinsatz ab. Die DR setzte zuletzt die Görlitzer Schnellverkehrstriebwagen SVT 175 ein. Daneben verkehrte noch der "Touristen-Express" "Tourex" hauptsächlich auf der Strecke zwischen Dresden und Varna am Schwarzen Meer. Er bestand aus 14 bis 16 Schlafwagen mit Speisewagen der MITROPA und in ihm reisten jeweils mehrere hundert Urlauber in die Ferien nach Bulgarien oder wurden von dort abgeholt.

Heute findet man vor den Fernzügen im Grenzverkehr mit Tschechien deutsche E-Loks der Baureihe 180 sowie die baugleichen tschechischen Modelle mit der Nummer 372 in rot-gelb. Ihre Höchstgeschwindigkeit beträgt 120 km/h. Diese Zwei-Strom-Lokomotiven können unter den verschiedenen Fahrstromsystemen beider Länder fahren. Seit einiger Zeit verkehrt im Fernverkehr auf der Strecke eine umgebaute Elektro-Lokomotive der Baureihe 372 als 371. Ihre zulässige Höchstgeschwindigkeit wurde auf 160 km/h erhöht.

Der Güterverkehr auf der Strecke wurde geprägt von den Transitgüterzügen, die meist vom Güterbahnhof Dresden-Friedrichstadt kamen oder dort hin fuhren. Im Eingang des Bahnhofs Pirna waren über viele Jahre die Ganzzüge mit Buchenfaserholz aus Thüringen und dem Harz für den VEB Vereinigte Zellstoffwerke Pirna sowie Züge mit Rohbraunkohle aus der Lausitz dominierend, die für die Versorgung des Heizkraftwerkes Pirna notwendig waren.

Im Ausgang waren es die Erzzüge der SDAG Wismut, die von 1967 bis 1983 auf dem Bahnhof Pirna-Rottwerndorf beladen wurden. Hier kam das Erz mit einer Seilbahn aus dem Bergwerk an der Festung Königstein an. Die Züge rollten von dort über die Gleise der Strecke Gottleuba-Pirna weiter zum Güterbahnhof Pirna dann nach Dresden-Altstadt bis in die Zielorte zu den Erzaufbereitungsanlagen nach Crossen bei Zwickau oder Seelingstädt in Thüringen.

Für diesen schweren Zugdienst setzte man zunächst die Dampflokomotiven der Baureihen 50, 52 und 58 ein - später schafften sich hier Diesellokomotiven der Baureihen 118, 120 und 110, meist in Doppeltraktion. Nachdem die großen Industriebetriebe in und um Pirna einschließlich Heizkraftwerk ihren Betrieb einstellten, ist der Güterverkehr gegenwärtig auf ein Minimum geschrumpft.

Eine große Besonderheit im Güterverkehr für Bahnen im Mittelgebirgsvorland hat die Strecke jedoch vorzuweisen: die Rollende Landstraße in die Tschechische Republik. Dabei handelt es sich um Autotransportzüge, die aus Niederflurwagen bestehen und pro Zug mehr als 20 LKWs transportieren können. Von Dresden-Friedrichstadt, der Umladestelle hierzulande, werden die Lastzüge über die Grenze im Elbtal entlang nach Lovosice in Tschechien gebracht, genauso in umgekehrter Richtung. Die Verbindung wurde, gefördert durch den Freistaat Sachsen, am 25. September 1994 eröffnet und soll den Grenzübergang Zinnwald an der B 170 vom enorm gestiegenen LKW-Transitverkehr teilweise entlasten.

Erste betriebsfähige deutsche Lokomotive "Saxonia"

Ehemaliger Lokschuppen des BW Pirna

E-Lok BR 143

Zweistrom E-Lok BR 180

Zweistrom E-Lok BR 372 der tschechischen Bahn baugleich mit der deutschen BR 180