Die Frankenwaldbahn gehört neben der Schwarzwaldbahn zu einer der beiden zweigleisigen Gebirgsbahnen in Deutschland. Die Frankenwaldrampe zwischen Pressig-Rothenkirchen und Probstzella erreicht dabei eine maximale Steigung von 29‰ mit Scheitelpunkt in Steinbach am Wald bei 594,54m. Mit der Elektrifizierung kam 1939 die eigens für diese Strecke entwickelte Baureihe E19 zum Einsatz. Für den Schiebeverkehr auf der Frankenwaldrampe wurden ab 1940 Loks der Baureihe E94 sowohl in Pressig-Rothenkirchen als auch ein Jahr später in Probstzella stationiert.

Während der deutschen Teilung verlor die im Fernverkehr zwischen München und Berlin bedeutende Strecke weitgehend an Bedeutung. Als Reparationsleistung musste 1946 auf ostdeutscher Seite das zweite Gleis und die Oberleitung als Reparationsleistung abgebaut werden. Auch auch westdeutscher Seite wurde das zweite Gleis bis 1949 zwischen Hochstadt-Markzeuln und Förtschendorf sowie zwischen Ludwigssstadt und Blockstelle Falkenstein reduziert. Von Probstzella bis zur Grenze elektrifierte die Reichsbahndirektion Erfurt das verbliebene Streckengleis im Jahr 1950 mit Mitteln der Eisenbahndirektion Nürnberg erneut womit die Frankenwaldbahn die einzige durchgängige elektrische grenzüberschreitende Verbindung zwischen der BRD und der DDR war.

Nach der Wiedervereinigung ist die Strecke nach gründlicher Sanierung der Haltestellen und dem Wiederaufbau des zweiten Gleises zwischen 1993 und 1997 wieder durchgehend zweigleisig und elektrifiziert. Von 2000 bis Dezember 2017 wurde die Strecke zuletzt im Stundentakt von ICE befahren. Nach Eröffnung der Schnellfahrstrecke Ebensfeld-Erfurt reduzierten sich die Fernverkehrsleistungen auf ein IC-Paar zwischen Nürnberg und Leipzig.