Mit der Rückeingliederung des Saarprotektorats als Saarland in die Bundesrepublik Deutschland 1957 gingen auch die Eisenbahnen des Saarlandes (EdS) in den Zuständigkeitsbereich der Deutschen Bundesbahn über. Die Pfälzische Ludwigsbahn oblag nun auf gesamter Länge der Verwaltung der DB.

Elektrifizierung
Das in der Bundesrepublik Deutschland aufkommende Wirtschaftswunder nach Ende des Zweiten Weltkrieges und die Zunahme des Schienenverkehrs veranlasste die Deutsche Bundesbahn, den elektrischen Zugbetrieb - bereits vor 1930 auf einigen Strecken schon eingeführt - weiter voranzutreiben. Dies betraf auch die Pfälzische Ludwigsbahn, damals als KBS 279 bezeichnet.
So begann man fast unmittelbar nach Erhalt der Strecke Saarbrücken - Homburg 1958 mit den Arbeiten zur Elektrifizierung. Am 8. März 1960 konnte auf diesem Abschnitt schließlich der erste elektrische Zug verkehren; es war zugleich auch der erste, der jemals auf der Pfälzischen Ludwigsbahn fuhr.
Nach erfolgter Elektrifizierung des ersten Abschnitts begann man mit den Arbeiten auf dem Abschnitt Homburg - Kaiserslautern. Hier konnte man etwas mehr als ein Jahr später, am 28. Mai 1961, die ersten elektrisch fahrenden Züge einsetzen.
Unmittelbar nach Fertigstellung dieses zweiten Abschnitts zogen die Monteure weiter und nahmen sich des Abschnitts Kaiserslautern - Ludwigshafen an. Während der Abschnitt Neustadt - Ludwigshafen bereits nach recht kurzer Zeit fertiggestellt werden konnte, zogen sich die Arbeiten zwischen Kaiserslautern und Neustadt in die Länge. Hier mussten alle Tunnel erweitert und vergrößert werden, um der Strom führenden Oberleitung genügend Freiraum zu gewährleisten. Während der laufenden Arbeiten auf diesem Abschnitt wurde auch zwischen Neustadt und Ludwigshafen noch stromlos gefahren. Weiterhin war zwischen Neustadt und Kaiserslautern - bedingt durch die Bauarbeiten - zeitweise nur ein Gleis befahrbar, was zu Kapazitätseinschränlungen speziell im Güterverkehr führte. Stellenweise betrug die Höchstgeschwindigkeit nur 40 km/h, mancherorts sogar noch weniger. Es kam zu umfangreichen Umleitungen des Güterverkehrs über Zweibrücken und Worms.
Erst am 12. März 1966 fuhr auch hier der erste Zug unter Draht. Zwischen Ludwigshafen und Saarbrücken war somit ein durchgehender elektrischer Betrieb möglich, ebenso zwischen Ludwigshafen und Neunkirchen.
Die Differenz zwischen der Verfügbarkeit des Fahrstroms auf den einzelnen Abschnitten - ein Jahr für die Abschnitte Saarbrücken - Homburg und Homburg - Kaiserslautern und fünf Jahre für die Abschnitte Saarbrücken - Kaiserslautern und Kaiserslautern - Ludwigshafen - erforderte Lokwechsel auf den verschiedenen Bahnhöfen. So wurden nach erfolgter Elektrifizierung von Saarbrücken nach Kaiserslautern und/oder Ludwigshafen durchgehende Züge zwischen Saarbrücken und Homburg elektrisch geführt. In Homburg wurde die E-Lok abgesetzt, eine Dampf- oder später eine Diesellok übernahm den Zug. Nachdem der Abschnitt Homburg - Kaiserslautern ebenfalls elektrisch befahrbar war, verlagerte sich der Lokwechsel von Homburg nach Kaiserslautern. Aufgrund der fünf Jahre dauernden Elektrifizierungsarbeiten zwischen Kaiserslautern und Neustadt wurden sämtliche nach Ludwigshafen und Mannheim fahrenden Züge trotz bereits funktionsfähiger Oberleitung zwischen Neustadt und Ludwigshafen mit Dampf- bzw. Diesellokomotiven weitergeführt, um einen erneuten Lokwechsel in Neustadt zu vermeiden. Mit Fertigstellung der Arbeiten 1966 entfiel der Lokwechsel zwischen Saarbrücken und Ludwigshafen ganz, bedingt durch den Richtungswechsel in Ludwigshafen bei Zügen nach Mannheim fand hier jedoch erneut ein Lokwechsel statt.

Ludwigshafen wird durchgängig
Der durch die Elektrifizierung weiter zunehmende Verkehr zwischen Saarbrücken und Mannheim wurde durch den in Ludwigshafen immer noch existierenden Kopfbahnhof erheblich ausgebremst. Aus diesem und weiteren Gründen wurde der alte Ludwigshafener Kopfbahnhof im Mai 1969 abgerissen und durch einen neuen Durchgangsbahnhof ersetzt. An der Stelle des alten Kopfbahnhofes steht heute das Ludwigshafener Rathaus.
Mit dem neuen Durchgangsbahnhof wurde somit eine direktere Verbindung zwischen Saarbrücken und Mannheim möglich. Dies ermöglichte die Führung verschiedener Personen- und Güterzüge von Saarbrücken nach Mannheim und weiter in andere Städte; die Strecke wurde dadurch deutlich attraktiver und nicht zuletzt dadurch auch zu der Strecke, die sie heute ist.

Fernverkehrszüge: stetiger Bedeutungswandel
Ab 1970 verkehrte das Zugpaar TEE 50/51, ein Ableger des bekannten TEE Rheingold der Deutschen Bundesbahn. Dieser Einsatz ebnete den Weg für weitere Einsätze hochwertiger Fernverkehrszüge. So kamen ab 1971 zunehmend auch IC-Züge auf der Strecke zum Einsatz. Mit einer umfassenden Fernverkehrsreform und der Einführung des Produktes Interregio (IR) erlebte die Strecke eine extreme Steigerung des Fernverkehrsangebots. Bereits Mitte der 1990er Jahre wurde das Angebot schrittweise zurückgefahren, ab Dezember 2002 verkehrten keine Interregios mehr, der Zweistundentakt im Fernverkehr war damit Geschichte. Dieser Trend setzte sich fort, auch die Einführung des ICE-Verkehrs auf der Strecke im Jahr 2000 und die Einführung des ICE-Verkehrs zwischen Frankfurt und Paris werteten auf der Strecke nur die jeweiligen Haltepunkte auf. 2011 wurde bekannt, dass in den Folgejahren mit einer weiteren Einschränkung des Fernverkehrs zu rechnen sein wird.

Revolution im Nahverkehr: Citybahn
Mit Abschluss eines Rahmenvertrages zwischen dem Saarland und der Deutschen Bundesbahn wurde 1989 auf den Strecken Saarbrücken - Homburg und Saarbrücken - Kaiserslautern Züge mit dem Produktnamen "Citybahn" (CB) eingeführt. Nach einer Probezeit von wenigen Jahren wurden diese auch in Richtung Mannheim und Heidelberg verlängert, teilweise mit Zugläufen von Homburg (Saar) Hbf bis Osterburken - dies entspricht der heutigen S1 der S-Bahn RheinNeckar.

S-Bahn-Zeitalter im Nahverkehr
Am 14. Dezember 2003 nahm die S-Bahn RheinNeckar ihren Betrieb auf und führte so zu einer erheblichen Qualitäts- und Attraktivitätssteigerung im Nahverkehr ähnlich der Citybahn aus dem Jahre 1989.