1996年に登場した特急「伊那路」が、豊橋 - 飯田間に1日2往復運転され、飯田 - 辰野方面には快速「みすず」が運転されている。また飯田線全線を約6 - 7時間かけて走り抜く直通の普通列車もあるが、列車の運行区間はおおむね、豊橋近郊の東三河地区、本長篠から中部天竜を経て天竜峡に至る急峻な3県県境越えの三遠南信、および飯田・伊那周辺の伊那谷の3区間に分けられる。

なお、飯田 - 駒ヶ根間などで、普通列車では珍しく昼間に弁当が車内販売されていたが、2004年1月をもって廃止された。

担当乗務員区所は、豊橋運輸区：運転士が豊橋 - 天竜峡、車掌が豊橋 - 天竜峡（特急「伊那路」は飯田）。伊那松島運輸区：運転士・車掌とも中部天竜 - 辰野となっている。

1960年から1980年代にかけては、新宿、長野、名古屋などとの間に直通急行列車が4 - 7両編成で走っていたが、中央自動車道が全通し、これを経由する高速バス（中央高速バス、中央道高速バス）が設定されると利用者が激減したため廃止された。