Sebelum Beroperasi Kereta api Mataram, Pada tahun 2016, PT KAI melakukan penambahan layanan kereta api di lintas tersebut dengan nama KLB Ekonomi LPN-PSE yang dioperasikan libur akhir pekan, beroperasi menggunakan rangkaian kereta kelas ekonomi plus buatan PT. INKA keluaran 2016.
Mulai 15 Juni 2017, PT KAI meluncurkan kereta api Mataram Premium sebagai kereta api tambahan saat musim mudik lebaran 2017. Karena memiliki tingkat okupansi penumpang yang tinggi, kereta api tersebut dioperasikan secara reguler. PT KAI kemudian melakukan penyesuaian layanan kereta api ini dengan mengubah layanan kelas ekonomi premium menjadi kelas eksekutif dan bisnis mulai 17 Februari 2019, serta lintas pelayanan diperpanjang hingga Stasiun Solo Balapan mulai 1 Desember 2019.
Kereta api Mataram dengan rangkaian terbaru diawali Lokomotif dinas CC 203 02 03 SDT bercorak dua garis biru
Mulai 9 Desember 2024, kereta api ini resmi menggunakan kereta ekonomi generasi terbaru dan cadangan kereta eksekutif generasi terbaru milik Kereta api Argo Lawu beserta Argo Dwipangga berbahan baja nirkarat buatan PT INKA Madiun.
Mulai 16 Februari 2026, operasional kereta api Mataram dipindahkan dari Daerah Operasi VI Yogyakarta ke Daerah Operasi I Jakarta. Seiring dengan perubahan tersebut, rangkaian kereta dimutasi dari Depo Kereta Solo Balapan (SLO) ke Depo Kereta Jakarta Kota (JAKK) untuk rangkaian ke-21, sebagai bagian dari pertukaran layanan operasional dengan kereta api Batavia.
3 Bulan kemudian; Mulai 6 Mei 2026, operasional kereta api Mataram dipindahkan kembali dari Daerah Operasi I Jakarta ke Daerah Operasi VI Yogyakarta berserta rangkaian kereta dimutasi kembali dari Depo Kereta Jakarta Kota (JAKK) ke Depo Kereta Solo Balapan (SLO) untuk rangkaian ke-21, sebagai bagian untuk pengoperasian layanan kereta api terbaru yang akan mendatang.
Saat ini, Kereta api Mataram beroperasi dengan menggunakan rangkaian 7 kereta ekonomi, 1 kereta makan, 2 kereta eksekutif, dan 1 kereta pembangkit yang menggunakan rangkaian baja nirkarat generasi terbaru.
Stasiun pemberhentian
Peta rute geografis kereta api Mataram berdasarkan Gapeka 2025
Hanya berisi layanan kereta api yang dioperasikan oleh induk perusahaan. Untuk layanan yang dioperasikan oleh anak perusahaan, lihat Templat:KAI Commuter untuk layanan KAI Commuter, Templat:KAI Bandara untuk layanan KAI Bandara dan Templat:KCIC untuk layanan KCIC/Whoosh