Aux origines, les trains étaient remorqués par des 120, 121, 030 et 031 du dépôt d'Avignon, détachées aux annexes de Cavaillon et Orange.
Entre deux guerres, les 220 A et B, 130 A, 230 A, et 040 "4 E" prirent leur relève. Des essais d'autorails Somua eurent lieu à l'hiver 1936 -1937 entre Avignon et Carpentras pour réduire les coûts d'exploitation de la ligne, en vain hélas vu que la desserte voyageurs y fut supprimée deux ans après.
Après guerre eut d'abord lieu le remplacement des 140 E par des 140 J avant que n'arrivent, à la fin des années 50, les premières locomotives Diesel : 040 DE, prototypes 040 CFD, puis BB 66000, 67000, 67400 aux côtés de locotracteurs. Enfin, à partir de 2004, des BB 69200 ont remorqué les derniers dessertes avant la fermeture de la ligne pour travaux de réhabilitation.
La nouvelle desserte TER est assurée par des AGC B 81500 en attendant la livraison des Regiolis B 84500 commandés à cet effet.
Origine du kilométrage : gare de Sorgues - Châteauneuf du Pape, qui correspond au Pk 731,415 depuis Paris gare de Lyon à priori via Dijon, Lyon Perrache et la ligne de la Rive Gauche du Rhône.
La gare de Carpentras, au Pk 16,997, correspond au km 21,926 de la ligne d'Orange à L'Isle Fontaine de Vaucluse.
Attention, descriptif ne comportant que les gares et ouvrages d'art majeurs.