Cette ligne fait aujourd'hui partie de la transversale Sud, reliant Bordeaux à Nice en passant par Toulouse, Montpellier et Marseille. Progressivement, elle sera doublée par de nouvelles sections à grande vitesse, permettant de la confiner au trafic marchandises et régional ; pour l'instant, seule la section Nîmes - Marseille est doublée sans être exploitée à son potentiel maximum.
Le renouvellement progressif des caténaires et de leurs poteaux a été entamé depuis le milieu des années 2010. Ainsi, de juin 2018 à juin 2019, 66 poteaux seront remplacés entre Lunel et Milhaud, et du 14 juin au 11 septembre 2021 500 autres entre Nîmes et Lunel. Les nouveaux pylônes sont en acier galvanisé, d'un aspect proche de ceux utilisés sur les dernières lignes à grande vitesse, mais la caténaire reste un modèle dédié au 1500 V continu.
L'électrification Sète - Nîmes en 1946 permit de prolonger les travaux déjà réalisés par les Compagnies du Midi et du Paris - Orléans, la transversale Sud étant équipée jusqu'à Montauban. Cela a ainsi permis d'établir une continuité électrique avec Paris Austerlitz (via Limoges) et Hendaye (via Bayonne), et d'engager les engins qui y roulaient déjà (locomotives BB 300, 4100, 4200, 4600, 4700 et 2D2 5000 ex 4800, 5100 et 5500). Peu à peu, le parc a été rejoint par les BB 300 et 8100 et CC 7100 sortant de construction.
Le tronçon Nîmes - Tarascon n'étant équipé qu'en 1960, les engins à vapeur ont effectué les relais traction à Nîmes jusqu'à cette date où Tarascon - Avignon fut également mis sous tension, les caténaires atteignant Marseille en 1962.
Cette jonction électrique permit la venue des engins du parc Sud Est : BB 8100, CC 7100, 2D2 9100 présentes depuis l'électrification Paris - Lyon, et rejointes par des BB 9200 et 9400 neuves, ainsi que des Z 7100 destinées au trafic omnibus. En 1965 apparurent les BB 8500, puis en 1969 les BB 9300 et CC 6500, reprenant les trains les plus nobles alors que disparurent les 2D2 5000 ex 4800 Midi puis les 2D2 5100 ex PO.
L'arrivée des BB 7200 et 22200 à partir de 1976 permit d'évincer les engins ex PO Midi, et de confiner les BB 8100, 9400 et 2D2 9100 au trafic marchandises. Ce phénomène sera accentué avec l'arrivée du TGV Sud Est en 1982, la plupart des trains pour Paris étant désormais assurés avec les rames à grande vitesse. Les relations régionales bénéficient, elles, de l'arrivée des Z 7300 et 7500 neuves et d'une modernisation des Z 7100.
A la fin des années 80, alors que les 2D2 9100 ont été radiées et que les BB 8100 et 9400 et CC 7100 commencent à être radiées, des rames RRR sont livrées afin d'assurer une partie du trafic régional en association avec des BB 8500. Au début des années 90, ce seront des BB 9600 (9400 modernisées) qui seront dédiées à cette tâche (dès lors, les BB 8500 affectées à Toulouse + RRR ne dépassent plus Béziers) ainsi que quelques rames RIB, alors qu'arrivent les BB 26000 et les TGV Réseau utilisés sur certaines relations "intersecteurs".
En 2001, la mise en service de la LGV Méditerranée permet aux rames TGV Sud Est, Réseau et Duplex d'assurer la majorité des relations Grandes Lignes, alors que les TER bénéficient progressivement d'une modernisation ; quelques années plus tard arrivent les Z 27500 alors que les relations vers Bordeaux et Nice sont équipées de voitures Téoz et que les BB 9200, 9300, BB 9600 (transitoirement remplacées par des 8600 ex Fret, qui font leur réapparition sur la ligne), voitures UIC / USI / RIB / RRR terminent leur carrière. les incursions de matériel TER PACA en provenance d'Avignon (Z 23500 et RRR avec BB 9600) cessent également, mais cette région continue à équiper certains trains au départ de Marseille. Au Fret, les CC 6500 disparaissent, indirectement remplacées par des BB 27000 et 37000.
Actuellement, les rames TGV visibles appartiennent aux différentes générations Duplex, ainsi que Sud Est et Réseau tricourant. Les TER sont assurés en automotrices Z2 ou Z 27500 (AGC) ainsi que par quelques rames Corail tractées par des BB 7200, 22200 ou 26000. Les Téoz et trains de pèlerinage restent, eux, remorqués par des BB 7200 ou 22200.
Du côté du Fret, la SNCF utilise généralement des BB 37000 sur l'Autoroute Ferroviaire, les autres trains étant assurés en BB 27000, 26000 ou 7200 (rarement 22200). Les opérateurs privés utilisent des BR 186, Class 66 et 77 et G 1206 (ECR) ou des E 37500 (Europorte) ainsi que du matériel loué à la SNCF (VFLI).
Les TER sont majoritairement assurés en AGC, les dernières Z2 étant retirées en 200 ; des Régiolis peuvent également être présents.
La traction à vapeur disparut majoritairement de Nîmes - Sète (- Narbonne) dès l'électrification en 1946, mais le transit d'engins perdura, en particulier pour "alimenter" la ligne Narbonne - Port Bou, qui resta longtemps non électrifiée. Dès fin 1933 étaient apparus des autorails "Charentaises", basés au dépôt d'Alès et assurant des omnibus.
En 1952 - 53, apparition des X 2400 sur des trains Avignon - Cerbère. Affectés au dépôt de Marseille ou (entre 1967 et 1969) de Nîmes, ils continuèrent à assurer des trains Nîmes - Avignon jusqu'à leur départ du Sud Est en 1975.
Des EAD X 4500 basés à Marseille ont également assuré jusqu'au début des années 2000 des liaisons omnibus principalement entre Nîmes et Avignon, avec là aussi, jusqu'au début des années 80 des marches à vide pour rejoindre Narbonne.
De 1955 à 1969, des rames RGP (d'abord bimoteur RGP2, puis monomoteur RGP1 X 2720) ont assuré le train "Catalan" entre Port Bou et Genève. Ce matériel fit ensuite une longue disparition avant de revenir en version X 2720 modernisée en 1991 sur des Montpellier - Nîmes - Mende, avant son remplacement par des X 72500 en 1998.
Les BB 66000, 67000 puis 67400 affectées au dépôt de Nîmes ont elles aussi fréquenté la ligne notamment sur des trains vers Narbonne et l'Espagne, notamment afin d'éviter un relais traction : ce fut le cas sur le Catalan Talgo, puis sr des TER Clermont - Montpellier assurés en rame tractée.
Du côté du fret, les BB 63500, 66000, 69200 et locotracteurs furent assez présents jusqu'aux années 2020, nombre d'embranchements n'étant pas électrifiés.
Les X 72500, déployés sur des trains (Béziers -) Montpellier - Mende via Nîmes ont fréquenté la ligne dès 1997 et ce jusqu'à leur départ de la région fin 2008. Ils ont depuis été remplacés par des engins bimodes B 81500.
Assez fréquemment, les engins Midi Pyrénées (X 2100 + XR 6000, X 72500 et 73500) transitent à vide sur la ligne pour rejoindre le tour en fosse d'Avignon. De même, un ou deux X 73500 Languedoc Roussillon (basé à Nîmes) est envoyé sur Carcassonne pour "alimenter" la ligne du Quillan.
Des BB 60000 ont fait leur apparition en 2015 sur des dessertes marchandises (notamment vers la ligne des Cévennes au départ d'Avignon) reprises aux BB 69200.
Origine du kilométrage : gare de Tarascon (km 762,872 depuis Paris Gare de Lyon via Lyon).
Attention, descriptif ne comportant que les gares et ouvrages d'art majeurs. Les passages à niveaux et ouvrages secondaires ne sont pas tous répertoriés.
La gare de Sète, point d'échange entre les réseaux du PLM et du Midi, se trouve à 475,890 km de Bordeaux St Jean, origine du repère utilisé sur le réseau du Midi.