Wanneer de eerste aanlegperiode van spoorlijnen door de Staat is afgerond, besluit de regering alsnog twee ontbrekende schakels in Nederlandse spoorwegnet aan te leggen. Eén hiervan is de zeventien kilometer lange verbinding tussen Arnhem en Nijmegen. Omdat een verbinding tussen beide steden zowel de Rijn als de Waal kruist, is deze niet eerder door een particuliere investeerder aangelegd. In 1879 nemen de Staatsspoorwegen de spoorlijn in gebruik. De korte staatslijn is een belangrijke schakel aan de oostzijde van het Nederlandse spoorwegnet. NS elektrificeert het traject in 1940 als onderdeel van het zogenaamde Middennet.

Op 22 juni 2014 rijdt EETC-loc 1251 met een omgeleide Autoslaaptrein over de Rijnbrug bij Oosterbeek naar 's-Hertogenbosch.IOp 20 augustus 2008 verlaten DD-IRM treinstellen 8745 en 9417 als intercity van Den Helder naar Nijmegen de Rijnbrug bij Arnhem.n Arnhem sluit de nieuwe spoorlijn aan op de bestaande Rhijnspoorweg en Staatslijn A naar Zwolle. In Nijmegen zijn na de opening van de staatslijn nog enkele spoorwegverbindingen aangelegd. Zo verlegt de NSM de spoorlijn naar Kleve direct in 1879 naar het nieuwe station van de Staatsspoorwegen. Twee jaar later neemt de NZOS de spoorlijn naar Tilburg in gebruik en in 1883 wordt de staatslijn naar Venlo in gebruik genomen. Een jaar eerder nemen de Staatsspoorwegen het eerste deel van de nieuwe Betuwelijn in gebruik. De nieuwe staatslijn krijgt zowel vanuit Arnhem als vanuit Nijmegen een aansluiting. De korte spoorlijn tussen Arnhem en Nijmegen is hierna definitief een belangrijke schakel in het Nederlandse spoorwegnet en kent een groot aantal doorgaande treindiensten. Naast binnenlandse treinen rijden ook diverse internationale sneltreinen tussen Amsterdam, Rotterdam en het Duitse achterland via de staatslijn.

Met op de achtergrond de Waalbrug rijdt op 26 oktober 2013 het omgeleide ICE-treinstel 4684 Nijmegen binnen. De ICE-treinen hebben door werkzaamheden die dag 's-Hertogenbosch als begin- en eindpunt.Begin jaren ’30 gaat NS de concurrentie met het groeiende particuliere autobezit aan door de modernisering van het zogenaamde Middennet. In eerste instantie elektrificeert de vervoerder de spoorlijnen tussen Amsterdam, Den Haag en Rotterdam enerzijds en Arnhem en Eindhoven anderzijds. In 1938 zijn de genoemde verbindingen elektrisch berijdbaar. Twee jaar later is ook de spoorlijn Arnhem – Nijmegen onderdeel van het geëlektrificeerde Middennet. Tussen de genoemde plaatsen rijdt modern stroomlijnmaterieel in een frequente dienstregeling. 

In 2007 krijgt de nieuwe Betuweroute tussen Rotterdam en Zevenaar net als de Betuwelijn 125 jaar eerder zowel een aansluiting vanuit Arnhem als vanuit Nijmegen. De aansluiting is na een korte proefperiode in december 2014 pas in de zomer van 2015 officieel in gebruik genomen.

Op 22 januari 2017 rijdt B-Logostics loc 2834 met een korte goederentrein door Elst. Op 22 januari 2017 komt FLIRT-treinstel 2505 als sprinter van Arnhem naar 's-Hertogenbosch en Deurne binnen in Elst. Naast de vele treinen tussen Arnhem en Nijmegen rijdt ook Arriva op de verbinding tussen beide steden. Tussen Arnhem en Elst maken de treinen van en naar Tiel gebruik van de spoorlijn. Op 17 mei 2014 snelt een onbekend GTW-stel onderweg van Tiel naar Arnhem door Arnhem Zuid. Op 7 mei 2018 rijden ICM-treinstellen 4052, 4035 en 4085 als intercity van Zwolle naar Roosendaal halverwege Arnhem Zuid en Elst.

DIENSTREGELING

Op 7 november 2015 vertrekt Plan V-treinstel 451 als sprinter van Zutphen naar Nijmegen uit Nijmegen Lent. Rechts maakt VIRM-treinstel 8641 onderweg van 's-Hertogenbosch naar Zwolle een tussenstop.De staatslijn tussen Arnhem en Nijmegen vormt een verbindende schakel voor diverse doorgaande nationale en internationale treindiensten. Vanaf de jaren negentig van de negentiende eeuw is de spoorlijn vooral van belang voor de doorgaande treinen van de HSM tussen Amsterdam, Amersfoort, Kesteren, Nijmegen en Kleve en andere Duitse steden. Ook laat de HSM via de verbinding treinen van Amsterdam naar Maastricht rijden. Vanuit Maastricht rijden diverse treinen door naar België, Duitsland en Zwitserland. De Staatsspoorwegen rijden ondertussen met doorgaande treinen vanuit Vlissingen en Brussel naar Berlijn via de verbinding. Ook rijden diverse doorgaande treinen tussen Zwolle, Arnhem en diverse steden in Noord-Brabant via de verbinding.

Op 7 mei 2018 rijden FLIRT-treinstellen 2523 en 2210 als sprinter van Arnhem Centraal naar Dordrecht even ten noorden van Elst.In 1940 wordt de spoorlijn tussen Arnhem en Nijmegen opgenomen in het zogenaamde Middennet. Voortaan rijdt elk uur een trein vanuit Amsterdam of Rotterdam en Den Haag naar Nijmegen. Een jaar eerder is de bootdienst tussen Vlissingen en Engeland gestaakt waardoor de boottreinen naar Berlijn zijn opgeheven. Het uitbreken van de Tweede Wereldoorlog zorgt voor een staking van het overige doorgaande internationale treinverkeer. Na de verwoesting van de Rijnbrug bij Rhenen in 1944 verdwijnen de doorgaande treinen die over de Betuwelijn via Nijmegen rijden definitief.

Op 17 juli 2021 is VIRM-treinstel 8647 even ten zuiden van Arnhem onderweg als intercity van Zaandam naar Nijmegen.Wanneer het spoorwegnet na de oorlog hersteld is, hervat NS de oude dienstregeling van het Middennet. Eenmaal per twee uur rijdt een sneltrein van Nijmegen naar Amsterdam. Het andere uur rijdt een sneltrein van Nijmegen naar Den Haag en Rotterdam. Tussen Arnhem en Nijmegen rijdt ook elk uur een stoptrein (Groningen -) Zwolle – Nijmegen. Tenslotte laat NS vanaf 1957 elke twee uur een trein Enschede – Roermond over het traject rijden. Tussen Zutphen en Nijmegen rijdt deze trein als sneltrein. In 1960 verdwijnen de doorgaande treinen tussen Enschede en Roermond weer uit het spoorboekje. Twee jaar later laat NS eenmaal per uur een semi-sneltrein tussen Zwolle en ‘s-Hertogenbosch rijden. Het ene uur rijdt de trein door naar Roosendaal en het andere uur naar Eindhoven. Ook rijdt voortaan elk uur een stoptrein Deventer – Nijmegen. In 1969 verdubbelt NS de frequentie op de IJssellijn. Naast de treinen van Zwolle naar Roosendaal en Eindhoven rijdt voortaan elk uur een trein tussen Zwolle en Vlissingen. Ondertussen blijft elk uur een trein tussen Nijmegen en Amsterdam of Den Haag rijden. Een jaar later gaan ook de treinen die eerder naar Eindhoven rijden, naar Roosendaal.

Vanaf 1988 rijdt NS enkele jaren een doorgaande stoptreindienst tussen Arnhem en Roermond. Twee jaar later introduceert de vervoerder de nieuwe IC’90 spitstreinen tussen Nijmegen en Den Haag/Rotterdam. In 1993 wordt de intercitydienst naar Amsterdam doorgetrokken naar Den Helder. In december 2008 wordt de intercitydienst tussen Nijmegen en Den Haag vervangen door een halfuursdienst tussen Nijmegen en Schiphol.