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Durante los primeros años, la línea fue empleada exclusivamente por trenes de viajeros. Tanto es así, que con los presupuestos de la línea se adquirieron las 2 últimas locomotoras diésel de la serie 4000, serie 340 en matrícula UIC, destinadas a trenes de viajeros.

Trenes como los Talgo Madrid – Hendaya, el Iberia Expreso y diversos trenes Ómnibus y expresos nocturnos pasaron a circular por la línea directa. La línea directa ahorra 90 kilómetros respecto a la línea clásica por Ávila y Valladolid entre Madrid y Burgos, una ventaja que inicialmente sí se supo aprovechar.

En este trayecto los Talgo empleaban 2:45 horas en el trayecto, a una velocidad promedio de 102 km/h, algo notable para la época. Entre Madrid y Burgos los Talgo no efectuaban paradas intermedias, ni siquiera en Aranda de Duero, mientras que el Iberia Expreso efectuaba parada en Robregordo–Somosierra, Riaza, Aranda de Duero y Lerma, mientras que el Rápido TAF efectuaban parada en Bustarviejo – Valdemanco, Riaza, Campo de San Pedro, Aranda de Duero y Lerma. El Iberia tenía una velocidad comercial cercana a los 70 km/h, empleando casi 4 horas en el trayecto, mientras que el Rápido TAF se aproximaba a los 80 km/h, con un tiempo de 3 horas y 40 minutos entre Madrid y Burgos.

El acortamiento en 90 km que supuso la inauguración del Directo tuvo como primera repercusión la disminución de los tiempos de viaje, lo que se tradujo en un aumento del tráfico de viajeros. Como primera medida se puso en servicio una relación entre Madrid y Bilbao con material TER, seguida de un expreso Hendaya – Algeciras, empleado principalmente por magrebíes afincados en Francia que se dirigían a Marruecos y Argelia (por ello se terminó denominado “Media Luna”), y el expreso “Puerta del Sol”, que gracias al cambio de los bogies de los coches–cama franceses en la estación de Irún permitió establecer un servicio nocturno directo entre Madrid y París sin cambiar de tren en la frontera. Asimismo, en determinadas fechas se añadía un tren de características asimiladas al Iberia Expreso. Por otro lado, los servicios de los pueblos intermedios se atendieron con ferrobuses, que cubrían los servicios Madrid – Aranda de Duero, Madrid – Burgos y Aranda de Duero Burgos. Estos trenes efectuaban parada en todas las estaciones y apeaderos.

El aumento del tráfico trajo consigo una ligera saturación de la línea, debido a que, por su configuración, con cantones demasiado largos, existían poco lugares para el cruzamiento de trenes, lo que repercutía en la capacidad de tráfico. Así, se dio el caso de que entre Riaza y Aranda de Duero, con una distancia de 64 km, solamente podía circular un tren, debido a que en las dependencias intermedias no había vías de apartado. Así, este tramo fue dividido en cinco cantones, para lo cual fue necesario instalar desvíos y vías de apartadero en Turrubuelo-Sepúlveda-Boceguillas, Campo de San Pedro, Maderuelo-Linares y Fuentelcesped-Santa Cruz de la Salceda, convirtiéndose en estaciones.

Para aumentar la capacidad de todo el tramo Madrid – Aranda de Duero, cada uno de los cantones originales fue subdividido en dos o más partes, tras cuya ejecución los cantones de mayor longitud fueron los de Gumiel de Izán a Fontioso, de 22 km, y de Sarracín a Burgos, de 17 km.

Paralelamente, y con el fin de prestar un mejor servicio a los pueblos cuyas estaciones se construyeron demasiado alejadas de sus respectivos cascos urbanos, se construyeron diversos apeaderos más próximos. Sin embargo, al no estar inicialmente previstos algunos se construyeron en tramos en pendiente, lo que dificultaba el arranque de algunos trenes, especialmente los formados por material remolcado.

 

En los años 80, década que puede considerarse como la época dorada de esta línea, los servicios continuaron mejorando, al reemplazarse los ferrobuses de la serie 591 por las unidades diésel de la serie 593, si bien a la larga el empleo de estos trenes supondría un incremento en los costes de explotación de la línea.

Asimismo, los trenes TAF fueron sustituidos por los TER, y el Iberia Expreso pasó de estar compuesto por coches de las series 5000 y 8000 por los nuevos coches climatizados de la serie 9000.

A partir de 1982 se crea una nueva relación nocturna entre Madrid y París con un Talgo Pendular con plazas acostadas de rodadura desplazable, además de nuevos expresos nocturnos con material climatizado, denominados Estrella, que no efectuaban paradas comerciales durante el trayecto por la línea.