De plus en plus de relations sont assurées en rames TGV Atlantique, Réseau bicourant et tricourant, et Duplex. Du côté des rames tractées, chaque année moins nombreuses, on retrouve sur les destinations françaises les matériels suivants, appartenant à la famille Corail et généralement aux types :
Les dernières années ont également vu l'utilisation de rames croisière (A10rtu VTU 82 et voitures Club ex restaurant DEV) ou Téoz étant donné la diminution du parc traditionnellement utilisé sur les trains affrétés. Il y a également parfois une des dernières voitures bar B5rtux à l'inventaire.
Côté trains internationaux, la majorité proviennent d'Italie et sont assurés avec du matériel FS. Des rames suisses, belges, allemandes voire de pays encore plus à l'Est peuvent aussi être vues, mais plus rarement (une à deux fois par an).
La traction de ces trains est généralement assurée par des BB 7200 (la caténaire Midi empêche la venue de la plupart des engins bicourant), ou très rarement BB 9300. Les pousses non attelées dans la rampe de Capvern ont longtemps été assurées en BB 8500 (seules ou en UM), mais une BB 7200 semble avoir pris le relais depuis quelques années. En gare de Lourdes, les manœuvres sont assurées par des BB 88500 ou par une BB 7200 : remisage ou mise à quai des rames vides, refoulement des trains afin d'être mis à quai par demi rames.
La suppression des rames tractées SNCF sur les trains de pèlerinage a eu lieu fin 2014.
Côté traction, une première électrification eut lieu vers 1917, en 12000 V 16,7 Hz, mais ce système dût être abandonné car ne répondant pas au standard établi en 1920, à savoir le 1500 V continu. Rapidement rééquipée, la ligne a depuis vu toutes sortes d'engins : BB et 2D2 ex PO Midi, BB 8100, CC 7100, BB 9200 et 9300, CC 6500... Les marches étant très peu tendues, il est arrivé que certains trains soient remorqués par des engins normalement dédiés au trafic marchandises (ex : BB 4600 utilisées jusqu'aux années 70).
Très fréquemment, pour les trains repartant via Toulouse, une pousse non attelée avait lieu dans la rampe de Capvern. Jusqu'à la fin des années 2000, celle-ci était effectuée par une UM de BB 8500 ; aujourd'hui, ce sont des BB 7200 qui ont pris le relais.
Avant le milieu des années 80, les voitures anciennes, héritées des anciens réseaux (genre OCEM), étaient majoritaires sur les trains facultatifs comme ceux de pèlerinage. Elles étaient souvent complétées par des fourgons DEV et plus anciens, et parfois même par des fourgons chaudière lorsque certaines d'entre elles n'étaient pas équipées du chauffage électrique.
A partir du milieu des années 70, des voitures DEV AO courtes, ex A8 déclassées suite à l'arrivée des premières Corail, ont été utilisées en remplacement du matériel d'avant guerre : 12 A7x (ayant un compartiment transformé en local de sonorisation) et une grande partie des 150 B8 (bien que de seconde classe, les aménagements restent à six places par compartiment). Des voitures A9 UIC 66 ont aussi été transformées (19 A8x ; à la fin des années 90, ces voitures ont été mutées au TER Rhône Alpes). Les voitures ambulance, elles, sont remplacées par des So VU neuves.
En 1992, pour terminer le remplacement des DEV AO, ce sont 42 voitures A9u VSE, déjà utilisées sur ces trains depuis quelques années, qui ont été déclassées en B9u sans subir de changement. Dès lors, la majorité du parc à places assises sera composé de voitures de ce type, dont certain exemplaires repasseront en première classe suite à modernisation à la fin des années 90, avant d'être à nouveau déclassés de facto sans changer d'immatriculation... Le parc couchettes, lui, est composé de DEV progressivement remplacées par des UIC.
A l'occasion de certains Célébrations, il y a même eu des rames à deux niveaux VB 2N détachées de la banlieue parisienne qui ont été utilisées sur des trains supplémentaires (traction par BB 8500).
En 1993, des "compositions types" ont été mises en place : 4x B9c9x UIC + A8x UIC (pour les accompagnateurs, avec local de sonorisation) + 4x B9u VSE avec leurs sièges abaissés + B5Dd2 UIC pour les divers matériels à transporter + éventuellement une ou plusieurs voitures ambulances So.
Des rames de voitures "Grand Confort" ont aussi été utilisées au milieu et à la fin des années 90 (y compris sur des relations vers la Belgique), complétées avec des voitures ambulances et des fourgons à bagages.
Les rames blocs mises en place en 2003 étaient les suivantes (toutes incorporant une voiture bar à partir d'avril 2003) :
Les rames "croisière" ont également pu être engagées.
Les B9c9x UIC et la plupart des voitures bar B5rtux disparurent vers 2004, et les VSE