Mit Inbetriebnahme der Strecke wurden im Fahrplan der Personenzüge unter der laufenden Nummer 217b ab dem 1. Juli 1901 zwölf Fahrten zwischen Dillingen (Saar) und Bouzonville vorgesehen. Ab dem 1. April 1908 erfolgte die Anbindung über Vigny – Anzelingen nach Metz und unter der laufenden Nummer 216g in die Personenfahrpläne eingereiht. Es verkehrten von nun an zwischen Dillingen (Saar) und Metz zehn zusätzliche Personenzüge.
Für die Abwicklung des Personenverkehrs auf der Niedtalstrecke wurden im Rechnungsjahr 1910 drei Akkumulatortriebwagen der Bauart „Wittfeld“ beschafft. Diese verfügten ausschließlich über die dritte Wagenklasse. Aborte waren nicht vorhanden und eine Beförderung von eingeschriebenem Gepäck erfolgte nicht. Die Akkumulatortriebwagen verkehrten mit einem jeweiligen Fahrbereich von ca. 100 Kilometern auf der Relation Metz – Bouzonville – Dillingen (Saar) auf einer Länge von 59 Kilometern durch das Niedtal. Bei Fahrten der Triebwagen nach Dillingen (Saar) erfolge dort jeweils eine Nachladung der Akkumulatoren.
Ferner kamen die Triebwagen auf der Relation Metz – Hagedingen – Thionville – Algringen auf einer Länge von 42 Kilometern sowie den kürzeren Strecken zwischen Hagedingen – Grosmyeuvre auf einer Länge von 10 Kilometern, Metz – Noveant auf einer Länge von 14 Kilometern und Metz – Courcelles, die ab dem Jahr 1912 bis Kruzel von ursprünglich 13 auf nunmehr 22 Kilometer verlängert wurde, zum Einsatz. Ab dem Jahr 1915 kam die Strecke von Metz nach Pommerieux – Verny mit einer Länge von 16 Kilometern hinzu.
Bei Ausbruch des I. Weltkrieges im Jahr 1914 ruhte der Triebwagenverkehr zunächst. Ab dem 3. August 1914 wurde der gesamte zu Friedenszeiten durchgeführte Verkehr eingestellt. Am folgenden Tag sollte ab Mitternacht der Militärfahrplan in Kraft treten. Die Eisenbahnen wurden der Militäreisenbahn unterstellt und es verkehrten nur noch Militärzüge zu den Westgrenzen des Deutschen Reiches.
Die Triebwagen mussten während des Krieges auch für den Militärverkehr zur Verfügung stehen. Im November 1918 wurde der Eisenbahnbetrieb auf dem Netz der Reichseisenbahnen Elsaß-Lothringen vom französischen Staat übernommen. Die Akkumulatortriebwagen wurden im Jahr 1920 dem Deutschen Reich von der französischen Regierung zum Rückkauf angeboten. Eine Untersuchung an deren damaligen Standort in Metz ergab, dass sie nicht mehr lauffähig waren. Ihr weiterer Verbleib ist unklar. Es lässt sich nur vermuten, dass sie von der Deutschen Reichsbahn zunächst übernommen, dann aber in den Jahren 1924 bis 1928 ausgemustert wurden.
Am 11. November 1918 gingen die nach Kriegsende grenzüberschreitenden Strecken auch auf den Teilstrecken Völklingen – Überherrn, Merzig – Silwingen und Dillingen (Saar) – Niedaltdorf in das Eigentum der Chemins des fer d’Alsace et de Lorrain, Strasbourg, Inspection Principale de Metz über. Der Bahnhof Guerstling wurde zum Zollbahnhof mit einer Kontrollstelle für die Ausweisdokumente der Reisenden sowie der Frachtpapiere nicht nur auf der Bahn, sondern auch auf der Straße. Bis zum Abschluss der Saar-Verhandlungen unterstand das Saargebiet der Regierungskommission unter enger Anbindung an Frankreich.
Bis zur Durchführung der Abstimmung vom 13. Januar 1935 gingen die Transportleistungen auf der Niedtalbahn zurück. Für den Tag der Abstimmung galt im Saargebiet ein besonderer Fahrplan, der Abstimmungszüge vorsah. Aufgrund des Abstimmungsergebnisses erfolgte am 1. März 1935 die Rückgliederung des Saargebiets in das Deutsche Reich. Mit diesem Tag gingen auch die vorgenannten drei Teilstücke der grenzüberschreitenden Eisenbahnverbindungen in den Besitz der Deutschen Reichsbahn über. Die Rückgliederung wurde mit enormer Geschwindigkeit vorangetrieben und die Einordnung des Saargebiets in das französische Zollsystem mit Ablauf des 17. Februar 1935 beendet. Damit wurde der Bahnhof Hemmersdorf auf deutscher Seite der Strecke Zollbahnhof mit eigenen Zollgebäude.
Ferner führten die neuen Grenzverhältnisse dazu, dass in Niedaltdorf ein behelfsmäßiger Halt für Personenzüge eingerichtet wurde, da nur noch ein Triebwagen die gesamte Strecke befuhr und die Notwendigkeit bestand, Lokomotiven und Wagen von in Niedaltdorf endenden Personenzügen umzusetzen. Die Gleisanlagen wurden um drei Weichen und ein Ladegleis sowie vier Signale erweitert. Der neue Bahnhof, der bei Anlage der Strecke nicht vorgesehen war, erhielt ein kleines Bahnhofsgebäude in Holzbauweise, nachdem für eine Übergangszeit der Dienstraum im Tunnelwärterhaus untergebracht worden war.
Ab dem Jahr 1936 wurde der Niedaltdorfer Tunnel aufgeschlitzt, wodurch die Strecke zwischen Niedaltdorf und Hemmersdorf für diesen Zeitraum der Bauarbeiten nur eingleisig befahren werden konnte. Die Erdmassen über dem Tunnel wurden mit Raupenschaufelbaggern abgetragen und mittels von Feldbahnlokomotiven gezogenen Kipplorenzügen abgefahren. Sie wurden zunächst am Burenweg in Höhe des heutigen Sportplatzes und später auch am Wingertsberg wieder aufgeschüttet. Nach Abschluss der Arbeiten wurde die Strecke wieder zweigleisig befahrbar hergerichtet.
Mit Ausbruch des II. Weltkrieges wurde ab September 1939 der Zugverkehr erneut eingestellt. Mit Erlass des Reichsverkehrsministeriums vom 12. Juli 1940 wurden die Dienststellen wieder besetzt und der Eisenbahnbetrieb wieder aufgenommen. Die Personenzüge verkehrten nun wieder von Dillingen (Saar) bis Guerstling oder Bouzonville sowie drei Personenzüge bis Metz. Dies änderte sich jedoch erneut, als 1944 die vorrückenden amerikanischen Kampfeinheiten die Front wieder in Richtung des Nied- und des Saartals verschoben und damit nicht zuletzt infolge der Sperrmaßnahmen zurückweichender deutscher Truppen der Eisenbahnverkehr erneut völlig zum Erliegen kam.
Nach Wiederherstellung der Brücke über die Saar konnte im Jahr 1948 eine Einweihungsfahrt in Anwesenheit des Gouverneurs de la Sarre, Gilbert Grandval, durchgeführt werden. Personenzüge endeten nunmehr in Niedaltdorf. Der zuvor eingerichtete Bahnhof wurde als Haltepunkt wieder aufgebaut. Er zeigt sich heute im typischen Erscheinungsbild mit Wartehaus und Fahrkartenautomat im sogenannten „Pluspunkt“.
Da die Strecke nach Kriegsende nur noch eingleisig wieder aufgebaut wurde, waren besondere betriebliche Verfahrensweisen erforderlich. Bevor mit Wendezügen gefahren werden konnte, wurde so ein längerer Aufenthalt der Personenzüge in Hemmersdorf genutzt, um die Lokomotive umzusetzen und den Zug nach Niedaltdorf zu schieben. Während dieser Fahrt nach und von Niedaltdorf wurde das Gleis zwischen Hemmersdorf und Guerstling für Zugfahrten gesperrt.
Die zunächst mit Lokomotiven der Baureihe 78 bespannten Wendezüge verfügten über einen Steuerwagen mit Hagenuk-Gerät, d.h. die Wendezüge wurden mit indirekter Steuerung ausgerüstet. Lokbespannte Wagenzüge wurden in verkehrsschwächeren Zeiten durch Trierer Verbrennungstriebwagen der Baureihen 795 und 798, dem sogenannten „Uerdinger Schienenbus“, ergänzt. Mit Zurückdrängung der Dampflokomotiven und Umstellung auf Diesellokomotiven kamen Loks der Baureihe 212 mit nachmittags zwei bis zu fünf sogenannten „Silberlingen“ im Schülerverkehr zum Einsatz.
Die lokbespannten Wendezüge wurden Ende der 1990er-Jahre durch Triebwagenzüge der Baureihe 628/928 ersetzt.
Diese verkehrten anlässlich des überregional bekannten Marktes jeweils an Karfreitag in einem angenäherten Zwei-Stunden-Takt auch wieder von Dillingen (Saar) bis Bouzonville und zurück.
Die Baureihe 628/928 soll in der Regel nicht mehr auf der Niedtalbahn verkehren, kommt aber immer wieder zum Einsatz, wenn die planmäßigen Triebwagen der Baureihe 642 wegen einer der verhältnismäßig häufig auftretenden Störungen ausfallen.
Alle Fahrten wurden im morgendlichen Schülerverkehr mit zwei Triebwagen – in Doppeltraktion – durchgeführt. Tatsächlich kann es jedoch vorkommen, dass statt zwei Züge der Baureihe 642 ein Triebwagen der Baureihe 628/928 eingesetzt wird. Dies führt im Schülerverkehr zum Entfall der Möglichkeit, die während der Corona-Pandemie seit März 2020 aus Infektionsschutzgründen verordneten Mindestabstände von 1,50 Metern einzuhalten.
Die Triebzüge der Baureihe 642 stehen nicht nur wegen ihrer verhältnismäßig häufigen Störungen in der Kritik. Auch die geforderte Barrierefreiheit ist wegen der Bahnsteighöhe in Niedaltdorf, Hemmersdorf und Siersburg ein im Ergebnis unerfüllter Wunsch geblieben. So greift zum Beispiel der LOK Report eine Pressemitteilung der Plattform Mobilität auf und berichtet unter dem 24. Juni 2019 auf seiner Website davon, dass die auf der Niedtalbahn eingesetzten beiden Triebfahrzeuge der Baureihe 642 im Gegensatz zu den auf der Relation Saarbrücken-Pirmasens eingesetzten nicht über ausfahrbare Trittstufen verfügten und die Rampen zu kurz sowie die Winkel zu steil seien, um Rollstuhlfahrern bei den Halten in Niedaltdorf, Hemmersdorf und Siersburg den barrierefreien Zugang zu den Fahrgasträumen zu ermöglichen.
Trotz aller Zugausfälle verkehrte auch im Jahr 2023 der Niedtalexpress anlässlich des Karfreitagsmarktes in Bouzonville mit sechs Zugpaaren zwischen Dillingen (Saar) und Bouzonville. Leider hatte es das Wetter mit den Besucherinnen und Besuchern nicht sonderlich gut gemeint, denn der Tag war bewölkt und es gab wiederholt Schauer.
