Debido a la urgencia que tenía la RTC por su entrada en servicio, las obras avanzaron con celeridad.[18] Un año después entró en servicio en Huelva un muelle-embarcadero de mineral que se había levantado sobre las aguas del río Odiel.[22] En 1896, con la línea Sevilla-Huelva ya en servicio, se construyó un empalme en la estación de Las Mallas para efectuar transbordos entre ambas líneas.[23] En sus primeros tiempos el tráfico ferroviario tuvo un carácter irregular, puesto que dependía de si había barcos atracados en el puerto para cargar mineral.[24] También se empezó a adoptar la doble tracción, que permitió mover convoyes más grandes y aumentar la carga transportada.Inicialmente los pasajeros viajaban gratis mediante un sistema de pases otorgados por la compañía, circunstancia que motivó un gran malestar entre aquellos sectores agraviados y que, tras numerosas protestas, llevaría a la RTC a implantar un sistema de tarifas.Durante la huelga minera de 1920 los obreros del ferrocarril iniciaron un paro generalizado y la línea llegó a quedar paralizada, debiendo hacerse cargo de su explotación soldados del ejército llegados a la zona.Hubo un proyecto para electrificar la vía general del ferrocarril con el objetivo de ahorrar gastos, si bien no se llegó a implementar debido al estallido de la Primera Guerra Mundial y los trastornos que esta supuso.En esa misma época también entraron en servicio dos locomotoras «Garrat» que RTC había adquirido tiempo atrás para potenciar la tracción.En 1970 la gestión fue asumida por Unión Explosivos Río Tinto (ERT), de nueva creación.[n.Unos años después, en 1978, se clausuraron definitivamente los ramales que iban a Nerva y Zalamea la Real.[42] En 1974 el trazado comprendido entre Las Mallas y Huelva fue cerrado al tráfico, quedando inactivas las infraestructuras.[44] Durante sus últimos años el tráfico ferroviario experimentó un declive tal que su explotación dejó de ser económicamente rentable para la compañía propietaria.En febrero de 1984 la línea fue clausurada al tráfico,[5] tras haberse realizado el último servicio regular.[46] Muchas estaciones del trazado se vieron gravemente deterioradas, mientras que las históricas instalaciones de Río Tinto-Estación y Huelva terminarían desapareciendo en su mayor parte tras ser desmanteladas.Además, algunos tramos del antiguo trazado fueron desmontados en buena medida, procediéndose al levantamiento de vías y traviesas.[49] En 1990 se realizó un estudio sobre las posibilidades que tenía el uso del ferrocarril minero con fines turísticos, si bien este acabaría siendo desestimado por su alto coste económico.Un segundo proyecto, fechado en 1993, preveía la rehabilitación del tendido ferroviario a través de varias fases.[53] A partir del material móvil histórico que se logró recuperar durante esos años —incluyendo dos locomotoras de vapor— se constituyó el denominado tren turístico minero, que ofrece servicios de carácter recreativo por la antigua ruta del ferrocarril.Por su parte, algunas locomotoras y vagones fueron trasladados para su exposición en el Museo Minero de Riotinto.El trazado entre Los Frailes y Manantiales continuó intacto; aunque en un principio estuvo prevista su recuperación, con el paso de los años ello no se ha llegado a materializar.También cabe señalar que una antigua sección del ferrocarril ha sido rehabilitada para uso ciclista y peatonal, la llamada vía verde de Riotinto, que discurre entre Zalamea la Real y Minas de Riotinto.La línea principal transitaba paralela al curso del río Tinto, con un trazado serpenteante y una pendiente media de 1,176 %, si bien en su último tramo lo hacía sobre una zona llana.
