Perusahaan Jawatan Kereta Api (PJKA) pernah mengoperasikan layanan kereta api penumpang di hampir seluruh jalur kereta api yang masih hidup di Sumatera Barat pada saat itu, termasuk untuk berhenti di Stasiun Kayu Tanam, seluruh layanan kereta api penumpang reguler ditarik oleh lokomotif uap. Namun, pada tahun 1984 layanan kereta api penumpang reguler sudah berhenti beroperasi karena PJKA saat itu merugi serta dampak dari kebijakan penghentian pengoperasian lokomotif uap sehingga jalur menuju Sawahlunto hanya fokus untuk operasi kereta api batu bara hingga tahun 2003 serta jalur menuju Bukittinggi berhenti beroperasi pada saat itu juga. Sebelum kereta api Lembah Anai beroperasi, kereta api Sibinuang adalah kereta api penumpang satu-satunya yang beroperasi di Divre II Sumbar.
Menggunakan sarana bus rel
Sejak kedatangan sarana bus rel di Sumatera Barat, sejatinya sarana tersebut dioperasikan untuk kereta api bandara. Namun, karena jalur petak Duku-BIM belum selesai dikerjakan pada waktu itu, sarana tersebut dialihkan untuk pengoperasian kereta penumpang relasi Lubuk Alung-Kayu Tanam pp. Reaktivasi jalur kereta api menuju Kayutanam pada tahun 2015 melatarbelakangi pengoperasian kembali kereta api penumpang untuk jalur tersebut. Setelah reaktivasi jalur menuju Kayu Tanam selesai dan sudah selesai diuji coba, bus rel Lembah Anai mulai melayani kepada publik pada tanggal 1 November 2016[1] dan diresmikan oleh Direktur Utama (DU) KAI Edi Sukmoro, Direktur Jenderal Perkeretaapian (Dirjenka) Prasetyo Boeditjahjono, Gubernur Sumatera Barat Irwan Prayitno.[2]
Untuk memaksimalkan layanan KA Lembah Anai, mulai 22 Maret 2019 rutenya diperpanjang hingga Bandara Internasional Minangkabau. Kemudian pada 1 Oktober 2019, frekuensi KA Lembah Anai ditambah dari 4 kali perjalanan menjadi 6 kali perjalanan. Hal ini mempermudah warga Padang Pariaman transit ke Padang dengan Minangkabau Ekspres atau sebaliknya dan juga jadwalnya bersinkronisasi dengan jadwal kereta bandara tersebut. Untuk melanjutkan perjalanan ke Padang, penumpang turun ke Stasiun Duku terlebih dahulu lalu menaiki Minangkabau Ekspres menuju Padang. Sebaliknya, jika penumpang bepergian ke Kayu Tanam, penumpang dari Padang menaiki Minangkabau Ekspres menuju Duku terlebih dahulu, lalu menaiki bus rel Lembah Anai di Duku menuju Kayu Tanam.
Bus rel ini termasuk salah satu angkutan KA perintis, yang mana penyelenggaraannya merupakan amanah Undang-Undang (UU) Nomor 23 Tahun 2007 tentang Perkeretaapian. Dalam hal biaya yang dikeluarkan oleh Penyelenggara Sarana Perkeretaapian untuk mengoperasikan sarana perkeretaapian lebih tinggi daripada pendapatan yang diperoleh berdasarkan tarif yang ditetapkan oleh Pemerintah, maka selisihnya menjadi tanggung jawab pemerintah dalam bentuk subsidi angkutan perintis.[3] Bus rel ini adalah bus rel ketiga di Indonesia setelah bus rel Kertalaya di Sumatera Selatan dan bus rel Bathara Kresna di Jawa Tengah.
Sekitar tahun 2023, kereta api Lembah Anai mulai menggunakan rangkaian darurat karena rangkaian asli miliknya sering mengalami gangguan. Rangkaian darurat tersebut terdiri dari satu lokomotif BB303 dan satu kereta penumpang, menjadikanya sebagai kereta api terpendek di Indonesia.