Hoewel de spoorlijn van Amersfoort naar Rhenen nog in gebruik was voor het goederenvervoer, kwamen er in 1966 in de Tweede nota ruimtelijke ordening al plannen om de spoorlijn te reactiveren voor het reizigersvervoer naar de sterk gegroeide forensengemeente Veenendaal . Veenendaal werd steeds groter en had al meer dan 40 000 inwoners, waarvan velen baat zouden hebben bij een betere spoorverbinding met Utrecht.Tot de reactivering moesten Veense treinreizigers naar het station in De Klomp, ver buiten de kern van Veenendaal, om daar op de trein te stappen. Aanvankelijk zagen de NS en het ministerie van Verkeer en Waterstaat weinig heil in een reactivering. De toezegging van de nieuwbouw van 5000 woningen en een nieuw te openen station in Veenendaal-West bracht de NS op andere gedachten. Op 26 februari 1976 was er toestemming tot reactivering van de spoorlijn en de aanleg van de aansluiting op de spoorlijn Utrecht – Arnhem. Voor het stationsgebouw van Veenendaal was het reeds te laat, een jaar voor de toestemming werd het gesloopt. Eerst zou Veenendaal het eindpunt worden van de spoorlijn, maar bij uitwerking van de dienstregeling bleek dat de treinen hier vrij lang zouden moeten wachten om weer terug te keren naar Utrecht en dat Rhenen als eindbestemming best mogelijk was, hiervoor zou ook de oude spoorverbinding met Rhenen moeten worden opgeknapt.
Het verlaten spoor werd tussen het viaduct over de spoorlijn Utrecht – Arnhem bij De Haar en Veenendaal – Rhenen opgeknapt en geëlektrificeerd voor heropening voor reizigersvervoer.
Bij De Haar werd een aansluiting gemaakt op de lijn richting Utrecht. Oorspronkelijk was de opening gepland in mei 1979 maar doordat de gemeenteraad van Leersum het bestemmingsplan van de “buitengebieden” aanvankelijk niet wilde veranderen ontstond er een vertraging van 2 jaar.Uiteindelijk werd op 31 mei 1981 de verbinding Utrecht – Veenendaal – Rhenen voor reizigersvervoer geopend.
De hooggespannen verwachtingen voor het forensenverkeer zijn niet helemaal uitgekomen, daar de lijn wel een rechtstreekse verbinding biedt met Utrecht, maar niet met Ede-Wageningen en Arnhem. Eind jaren 80 bleek uit cijfers dat de spoorlijn behoorde tot de groep onrendabele spoorlijnen waar sluiting boven het hoofd hing, maar in 2005 liepen de reizigersaantallen zo hoog op dat in de spits wel een 15-minutendienst gewenst bleek en vanaf 2007 ook gerealiseerd is.
1981 – 2005
Sinds de heropening van de spoorlijn werd er op het traject Utrecht – Veenendaal – Rhenen een halfuurdienst gereden waarbij de treinen onderweg alleen stopten in Driebergen-Zeist en dus niet in Bunnik en Maarn. Halverwege de jaren 80 kwam daar een eind aan. Alle stoptreinen die om .23 uit Utrecht vertrokken zouden ook in Maarn gaan stoppen; alleen in Bunnik werd niet gestopt. De trein kwam dan om .48 in Veenendaal West aan waar de tegenliggende trein naar Utrecht werd gekruist. De treinen die vanuit Utrecht om .53 vertrokken stopten niet in Bunnik en Maarn, en kwamen dan om .15 aan in Veenendaal West waar gekruist werd. De stoptrein tussen Rhenen, Veenendaal en Utrecht werden zelf op de CTA-bakken op de stations Maarn en Driebergen-Zeist aangeduid als sneltrein, hoewel de treinen nooit echt de sneltreinstatus hebben gehad. Alleen in de vroege ochtendspits stopten er twee treinen vanuit Rhenen ook in Maarn en Bunnik. Verder reed eind jaren 80 de laatste stoptrein uit Den Haag CS niet door naar Veenendaal-De Klomp, Ede-Wageningen en Arnhem maar ging deze vanuit Driebergen-Zeist naar Maarn, Veenendaal West, Veenendaal Centrum en Rhenen.
De dienstregeling in de jaren 90 veranderde voor de Veenendaallijn doordat NS van start ging met de zogenaamde IC’90-projecten op de spoorlijn Utrecht – Arnhem waarbij de stoptrein van Den Haag/Rotterdam – Gouda naar Arnhem – Zutphen/Nijmegen werd geknipt in Utrecht en deze tussen Arnhem en Utrecht alleen nog maar in de spits ging rijden. Om de reizigers in Maarn en in Bunnik toch een acceptabele stoptreintreinverbinding te bieden was de stoptrein vanaf de Veenendaallijn de aangewezene om de stroom reizigers op te vangen waarbij een einde kwam aan het doorrijden van de stations Maarn en Bunnik. Ook draaide NS de uurdienst in de stille uren weer terug en kreeg Veenendaal deels in de avond weer een halfuurdienst. Door verschuiving van vertrektijden om dit mogelijk te maken, kruisten de trein op de Veenendaallijn elkaar ergens tussen Overberg en De Haar Aansluiting en niet meer in Veenendaal-West.
2006 en 2007
In de NS-dienstregeling 2006 (december 2005 – december 2006) reed de ieder half uur rijdende stoptrein vanuit Rhenen na Utrecht Centraal door naar Hilversum, Naarden-Bussum en Almere Oostvaarders.
In de dienstregeling van 2007 reed de stoptrein vanuit Rhenen na Utrecht Centraal door als Sprinter naar Amsterdam Zuid over de Utrechtboog.
Bovendien reed er in de spits elk half uur een extra stoptrein tussen Veenendaal Centrum en Utrecht Centraal. Om dit mogelijk te maken was in 2006 een keerspoor aangelegd tussen Veenendaal Centrum en Rhenen.
Sinds 2008
Sinds 2008 rijden alle treinen na Utrecht Centraal door naar Breukelen. In de spits rijden zij door naar Amsterdam Centraal en Uitgeest, waardoor er een directe verbinding Rhenen – Uitgeest is ontstaan. Ook de extra spitstreinen Veenendaal Centrum – Utrecht Centraal rijden na Utrecht door naar Breukelen.
Materieel op de Veenendaallijn
Voorafgaand aan de reactivering van de spoorlijn Rhenen – Veenendaal – De Haar Aansluiting is de lijn geschikt gemaakt voor elektrische tractie door de aanleg van bovenleidingen.
Er zijn geen goederentreinen op de Veenendaallijn.
Bij heraanleg van het spoor werd tractie geleverd met locomotieven van de 2200- en 2400-serie maar ook door een Unimog van spooraannemer Railbouw Leerdam die vele ballast- en montagetreinen heeft getrokken op de Veenendaallijn. Na de opening in 1981 vindt er in principe geen exploitatie van goederentreinen plaats met uitzondering van ballasttreinen en ATB-meettreinen die worden getrokken door locomotieven uit de 2200- of 2400-serie.
Voor het reizigersvervoer gingen de treinstellen Mat’64 de exploitatie verrichten, maar in 1982 en 1983 kwamen de eerste experimenten met ander materieel.
In 1983 werden enkele spitstreinen gereden met Mat’46 (Dit was ook het laatste jaar dat zij in dienst waren bij NS en sommige stellen reden ook daadwerkelijk hun laatste rit op de Veenendaallijn.
Ook heeft er in 1983 een aantal dagen Plan U op de Veenendaallijn gereden.
Zo heel langzamerhand werden de Mat’64-stellen verdreven en kwamen de Hondekoptreinstellen Mat’54 op de Veenendaallijn te rijden die vanaf half jaren 80 tot ruim half jaren 90 hier de dienst gingen uitmaken.
Eind jaren 80 was er ook een ochtendslag met een Koploper (ICM) die op de terugweg als stoptrein uit Rhenen vertrok en ook in Bunnik stopte.
De laatste trein naar Rhenen werd gereden met Mat’64 die als stoptrein uit Den Haag binnen kwam en doorreed naar Rhenen.
Rond 1995 vond de afvoer van de Hondekoptreinstellen plaats en kwamen tijdelijk de Sprinter-treinstellen op de Veenendaallijn te rijden aangevuld door met een door een 1600-locomotief getrokken DDM-1 of een stam DD-AR met 1700-locomotief. Rond 2001 reed er een 5-delige DDM-1 in de serie 5900 om vooral extra 1e klas-plaatsen aan te bieden. In dezelfde omloop als deze DDM-stam reed er ook een VIRM-VI. Tot de dienstregeling 2007 reden er weer treinstellen Mat’64 (Plan T en Plan V) aangevuld met DD-AR-stammen met een 1700-locomotief of mDDM-motorwagen.
Met ingang van de dienstregeling 2007 werd een groot deel van de treinen gereden met SGMm (Sprinters), aangevuld met Mat ’64 en DD-AR. Met ingang van de dienstregeling 2008 werden tijdens werkdagen alle treinen standaard gereden door SGMm. Vanaf 7 september 2009 worden de meeste treinen weer gereden met Mat’64; dit is een indirect gevolg van de vertraagde instroom van het SLT materieel. In april 2010 bleek bovendien dat de perrons van de stations Veenendaal West en Veenendaal Centrum nog niet geschikt zijn voor SLT.
Vanaf 6 september 2010 zullen alle ritten standaard gereden worden met SLT. Tijdens de winter van 2009/2010 zijn er veel SLT treinen defect geraakt,
sinds de ingangsdatum van de dienstregeling 2011 worden daarom alle materieelsoorten op de Veenendaallijn ingezet, dit is ook iedere dag wisselend. Gedurende deze periode zal er veel mat ’64 en SGMm op de Veenendaallijn actief zijn, maar ook Koplopers, mDDM en V-IRM treinstellen komen hier nu voor en sporadisch een SLT. Vanaf 31 maart 2011 kwam het SLT weer volledig terug en was weer het enige materieel op de Veenendaallijn. Sinds dienstregeling 2013 rijden de treinen op de Veenendaallijn ook met SGMm.
Op dit moment rijdt er SGMm en SLT op de Veenendaallijn, de verhoudingen hiertussen zijn nogal wisselend. Tijdens geplande werkzaamheden waarbij er beperkt treinverkeer mogelijk is wordt meestal VIRM ingezet.