Betrieb
Zunächst befuhren Dampflok-bespannte Züge die Strecke. Dabei kamen Loks der Baureihen 23, 70.1, 74.4, 91.3, 93.0 und 93.5 zum Einsatz. Ab Mitte der 1950er Jahre ersetzten Schienenbusse die bis dahin dampfbespannten Personenzüge. Anfänglich wurden hauptsächlich VT 95 (später 795) eingesetzt, Ende der 1970er beherrschten dann Fahrzeuge der Baureihe VT 98 (798) die Strecke.
Jahrelang haben die Schienenbusse das Bild auf der Nebenbahn dominiert. Diese Schienenbusse wurden vielfach auf schwach ausgelasteten Nebenstrecken eingesetzt, um diese durch den relativ kostengünstigen Betrieb vor der Stilllegung zu bewahren.
Der ursprüngliche Haltepunkt Burg war damals bereits geschlossen, da er auf der „falschen“ Moselseite lag. Anfang des 20. Jahrhunderts erfolgte die Schließung. Durch die Eröffnung der Moselbahn am rechten Moselufer wurde Burg besser ans Schienennetz angebunden.
Die normalspurige Kleinbahnstrecke der Privatbahn verlief von Bullay über Zell, Traben-Trarbach und Bernkastel nach Trier und wurde abschnittsweite zwischen 1903 und 1905 eröffnet. Zwischen 1961 und 1968 wurde sie aufgrund finanzieller Probleme und der Moselkanalisation wieder stillgelegt und schließlich abgebaut.
Um eine bessere Unterscheidung zwischen Bahnhöfen der privaten Moselbahn und denen der Moselwein-Bahn zu erwirken, erhielten letztere die Abkürzung „(DB)“ als Zusatz. Diese Abkürzung ist auch heute noch in den Bahnhofsnamen der Moselwein-Bahn zu finden. An der Moselwein-Bahn selbst wurde später auch der Bahnhof Pünderich geschlossen, weshalb der Umstiegspunkt zur Moselstrecke nach Bullay verlegt wurde.
Trotz drastisch zurück-gehender Fahrgastzahlen zwischen Bullay und Traben-Trarbach blieb der Betrieb aufrechterhalten. Zum Fahrplanwechsel am 2. Juni 1991 wurden dank finanzieller Unterstützung des Landes Rheinland-Pfalz die mittlerweile veralteten Schienenbusse durch Triebwagen der Baureihe 628.2 ersetzt. Seit 31. Mai 1992 wird die Nebenbahn im Fahrplan unter dem Namen Moselwein-Bahn aufgeführt.
Der Güterverkehr auf der Nebenbahn blieb fast immer Nebensache, ehe er Anfang der 1990er Jahre sein jähes Ende fand. Hauptsächlich aus Wein-Kesselwagen sowie einem bis 1991 stattfindenden Holztransport ab Traben-Trarbach bestand der Güterverkehr auf der Nebenbahn, der meist durch eine Lokomotive der Baureihe 290 gefahren wurde.
Etwas früher kamen Dieselloks der Reihe V 100 zum Einsatz. Diese Loks lösten Mitte der 1960er Jahre die Güterzug-Dampfloks der Baureihe 57.10 ab. Ursprünglich hatten auch Pünderich, Reil und Kövenig eine Verladestelle. In Reil gab es sogar eine unterirdisch verlegte Rohrleitung, durch die der Wein aus einer Kellerei direkt zum Bahnhof gepumpt wurde.
1999 wurden die nicht mehr genutzten Gütergleise in Traben-Trarbach, zugunsten eines Supermarkt-Neubaus, abgebaut. Lediglich eine Umsetzmöglichkeit für Loks an der Endstation blieb bestehen.
Ab 3. Juni 1996 wurden die Prototypen Doppelstockschienenbusse der Baureihe 670.0 eingesetzt. Der Einsatz war allerdings nicht zuverlässig und regelmäßig musste ein Triebwagen der Baureihe 628.4 eingesetzt werden. Nach Problemen mit den Bremsen wurden die Doppelstockschienenbusse Ende 1996 aus dem Betrieb genommen und kehrten nicht mehr auf die Moselwein-Bahn zurück. Seitdem fuhren Triebwagen der Baureihe 628.4. Diese Situation blieb bis Anfang Juni 2001 bestehen, als ein neuer Anbieter den Betrieb übernahm.
Trans regio
Nachdem das Land den Verkehr auf der Moselweinbahn europaweit ausgeschrieben hatte, konnte die Moselbahn die Ausschreibung für sich entscheiden. Später entstand aus der Moselbahn die neue Eisenbahngesellschaft trans regio GmbH, die am 9. Juni 2001 den DB-Betrieb ablöste. Seitdem wurden bei ADtranz hergestellte RegioShuttles (RS 1) eingesetzt, bis der Vertrag mit dem Land Rheinland-Pfalz im Dezember 2008 auslief.
Trotz der Sorge über das Fortbestehen der Linie wegen des großen Unterhaltsbedarfs am Oberbau wurde die Strecke in November 2004 grundlegend saniert. Grund hierfür war auch ein wichtiger Vorteil der Bahn gegenüber dem Busverkehr. Nach dem Bau der Eisenbahnlinie war nämlich unzureichend Platz vorhanden für eine parallel gelegene Straße. Busse und Autos müssen durch die Zeller Moselschleife eine etwa doppelt so lange Entfernung zurücklegen. Die Züge können dagegen diese Schleife durch den Prinzenkopf-Tunnel abschneiden, so dass die Route per Schiene nach Traben-Trarbach beträchtlich kürzer ist.
Ende 2001 wurde der Endpunkt der Strecke in Traben-Trarbach um ungefähr 200 Meter eingekürzt. Seitdem kommen die Züge nicht mehr am, aus dem Jahre 1904 stammenden, Empfangsgebäude an. Der dadurch gewonnene Raum wird für einen P+R Parkplatz und eine Bushaltestelle genutzt. Das Empfangsgebäude wurde restauriert und beherbergt heute die Tourist-Information.
Die durchschnittliche Anzahl der täglichen Fahrgäste stieg von 200 Fahrgästen im Jahr 2000 auf fast 500 im Jahr 2002.
Neue Ausschreibungen
Nachdem es zuerst so schien, als könne sich die trans regio GmbH mittels eines Verhandlungsverfahrens die Betriebstätigkeit auch im Zeitraum Dezember 2008 bis Dezember 2013 sichern, wurde am 6. Juli 2007 bekanntgegeben, dass der Betrieb zum Fahrplanwechsel 2008 wieder an DB Regio übergehe. Diese hatte ein finanziell gesehen attraktiveres Angebot gemacht
Seit 14. Dezember 2008 verkehrten zwischen Bullay und Traben-Trarbach nun wieder ältere Triebwagen der Baureihe 628. Die modernen, barrierefreien RegioShuttles mussten weichen. Für Behinderte wurden die „neuen alten“ Triebwagen mit einhängbaren Rampen ausgestatten. Die Inneneinrichtung wurde jedoch nicht modernisiert, weshalb die Züge z.B. nicht über eine Klimaanlage verfügen.
Ursprünglich war geplant, den Betrieb der Moselwein-Bahn ab Dezember 2013 zusammen mit einigen anderen Dieselstrecken in Rheinland-Pfalz auszuschreiben. Der Vertrag von 2008 bis 2013 wurde abgeschlossen um die zwischenliegende Zeit zu überbrücken.
Am 18. Juni 2008 gab das Land Rheinland-Pfalz unter dem Namen „Rheinland-Pfalz-Takt 2015“ seine neuen Planungen für den Personennahverkehr bekannt. So war unter anderem geplant, die Moselwein-Bahn zu elektrifizieren, um direkte Verbindungen von Koblenz über Cochem und Bullay nach Traben-Trarbach anbieten zu können. Diese direkte Verbindungen sind vor allem aus touristischen Gesichtspunkten interessant.
Die Folge von diesen Planungen wäre eine Brechung von der RB Trier - Koblenz. In Dezember 2012 ist aber beschlossen um hiervon ab zu sehen. Auch die Elektrifizierung der Moselwein-Bahn fand hiermit vorerst nicht statt. Für den Betrieb der Moselwein-Bahn ab Dezember 2014 wurde ein Vergabeverfahren eingeleitet.
Am 11. Dezember 2013 hat die Verbandsversammlung des SPNV-Nord beschlossen, dass der Zuschlag an die Rhenus Veniro GmbH & Co. KG erteilt wird. Zum Einsatz kommen modernisierte Dieseltriebwagen des Typs RS 1. Die Triebwagen stammen von der Donnersbergbahn Alzey - Kirchheimbolanden, wo die Triebwagen von 2000 bis Dezember 2014 fuhren.
Die RegioShuttles sind hiermit wieder auf der Moselwein-Bahn zurückgekehrt. Der Vertrag mit Rhenus Veniro lauft bis Dezember 2029. Ab 14. Dezember 2014 wurde erst noch als Ersatz ein RegioShuttle von der Strecke Boppard – Emmelshausen mit "hunsrückbahn"-Beklebung eingesetzt.
Am 25. Januar passierte bei Traben-Trarbach ein Unfall. Ein Baum war unter einer Schneelast zusammengebrochen und auf die Gleise gestürzt. Der Triebwagen 650 131 wurde dabei schwer beschädigt. Zeitweise kam deshalb wieder ein RegioShuttle von der Hunsrückbahn auf der Moselwein-Bahn zum Einsatz. Seit dem 11. Juli 2015 fahren die vorgesehenen und modernisierten RegioShuttles 650 131 und 650 132 auf der Strecke.
Zukunft
Das Angesicht der Moselwein-Bahn wird sich im Zukunft erheblich ändern. Am 12. Januar 2022 erfolgte die Veröffentlichung des Vergabeverfahrens MoselLux durch SPNV-Nord im EU-Amtsblatt. Die Ausschreibung enthält eine Neustrukturierung der Verkehrsleistungen auf der Moselwein-Bahn mit elektrisch betriebenen Fahrzeugen ab Dezember 2029. Die Moselwein-Bahn soll also doch elektrifiziert werden. SPNV-Nord machte am 2. August 2022 DB Regio als Gewinner des Vergabeverfahrens bekannt.
DB Regio wird neue Triebwagen vom Typ „Flirt³“ des Herstellers Stadler Rail einsetzen. Es wird ein neues RE-Angebot eingeführt, das aus einem direkten 2-Stunden-Takt zwischen Traben-Trarbach und Koblenz (RE 85) beziehungsweise Traben-Trarbach und Trier (RE 86) besteht. Auf der Moselwein-Bahn zwischen Traben-Trarbach und Bullay bleibt also den 1-Stunden-Takt bestehen. Der neue Verkehrsvertrag endet zum Fahrplanwechsel im Dezember 2039.