Mit der Fertigstellung und Inbetriebnahme am 25. August 1849 begann man direkt mit mehreren Erweiterungsprojekten entlang der Strecke. Dazu zählten sowohl neue Streckenäste als auch neue Industrieansiedlungen mit Gleisanschluss.

Erste Streckenerweiterung: Von Homburg nach Zweibrücken über Schwarzenacker
Bereits wenige Monate nach vollständiger Inbetriebnahme der Strecke von Ludwigshafen nach Neunkirchen begannen die Bauarbeiten für die erste Verlängerung der Strecke. Diese sollte über Schwarzenacker nach Zweibrücken führen. Am 7. Mai 1857 war diese Strecke befahrbar und wurde für den Personen- und Güterverkehr genutzt.

Zweite, dritte und vierte Streckenerweiterung: Von Homburg nach St Ingbert und Saarbrücken
Nach dem Bau der Strecke Homburg - Schwarzenacker - Zweibrücken begann man mit der Erschließung des Gebietes zwischen Homburg und Saarbrücken in drei Bauphasen. Dies war nicht nur als Erweiterung der Pfälzischen Ludwigsbahn gedacht, sondern auch als Beschleunigung ebendieser.
Dazu ließ man zunächst von der Strecke nach Zweibrücken kurz vor dem Bahnhof Einöd einen Streckenast abzweigen, welcher über Bierbach nach St Ingbert führte. Zwischen Niederwürzbach und St Ingbert errichtete man dazu kurz vor Hassel den Hasseler Tunnel, das einzige Bauwerk dieser Art auf diesem Streckenabschnitt neben einigen tiefen Landschaftseinschnitten.
Somit waren durchgehende Züge von Homburg nach St Ingbert mit dem Umweg über Bierbach möglich. Die ersten Züge auf dieser Strecke fuhren 1866 bis Bierbach bzw. 1867 bis St Ingbert.
Nach Fertigstellung dieses Abschnitts begann man mit den Arbeiten zum Lückenschluss zwischen St Ingbert und Saarbrücken. Hier musste wieder - ähnlich des Abschnitts durch den Pfälzer Wald - tief in die Landschaft eingeschnitten werden. Eine weitgehend gerade Streckenführung war hier nicht möglich, man musste ebenfalls wieder auf Bögen mit teilweise großen Krümmungsradien zurückgreifen. Dies zeigt sich auch in der Bauzeit für diesen gerade einmal 13 Kilometer langen Abschnitt: Am 15. Oktober 1879 fuhr hier der erste Zug.
Die Ludwigsbahn war somit von Homburg aus auf zwei Wegen mit Saarbrücken verbunden: Sowohl über Bexbach und Neunkirchen, dem ursprünglichen Streckenverlauf, als auch über Bierbach und St Ingbert war die Fahrt eines Zuges möglich. Schnell zeigte sich: Für die Strecke über Bierbach benötigte ein Zug weit weniger Zeit als über Bexbach. Die Strecke über Bexbach verlor damit fortan an Bedeutung für Personen- und Güterverkehr, wurde aber weiterhin von Zügen befahren, deren Ziel nicht Saarbrücken war.
1895 wurde der Hasseler Tunnel durch ein Unwetter einsturzgefährdet. Da ein Wiederaufbau einem Neubau gleichgekommen wäre, entschied man sich für die Verlegung des Streckenabschnitts. Man errichtet einen neuen Haltepunkt Hassel und führte die Strecke von diesem Haltepunkt aus durch einen tiefen Landschaftseinschnitt durch das St Ingbert-Kirkeler Waldgebiet nach Rohrbach und von dort aus weiter nach St Ingbert. Der alte Streckenanschluss in St Ingbert ist heute noch sichtbar und auch noch als Industriegleis nutzbar.
Zeitgleich mit der Verlegung des Bierbacher Anschlusses von St Ingbert nach Rohrbach begannen auch die Bauarbeiten für den Streckenabschnitt St Ingbert - Homburg. Dazu musste zunächst wieder das St Ingbert-Kirkeler Waldgebiet durchschritten werden, was mit einem tiefen Einschnitt geschah. Hinter Rohrbach führte die Strecke dann weitgehend flach und mit nur wenigen Kurven nach Homburg. Ab dem 1. Januar 1904 war dieses Teilstück befahrbar und ermöglichte so durchgehende Züge von Ludwigshafen nach Saarbrücken.
Nach Fertigstellung der Verbindung Homburg - St Ingbert - Saarbrücken zeigte sich: Dieser Weg ist wesentlich schneller als derjenige über Bierbach. Züge mit Fahrtziel Saarbrücken führte man, sofern sie nicht andere Güteranschlüsse zu bedienen hatten, direkt über diesen Streckenast nach Saarbrücken.
Zu erwähnen sei hier noch: Die Streckenerweiterungen wurden bereits in der Planungsphase als zweigleisige Abschnitte geplant und später auch so errichtet. Das zweite Streckengleis wurde auf den einzelnen Ästen einige Jahrzehnte später abgebaut; die einzige heute noch in Betrieb befindliche Strecke dieser Erweiterungen neben der Strecke St Ingbert - Homburg ist die Strecke Rohrbach - Zweibrücken, welche heute auf ganzer Länge nur noch eingleisig nutzbar ist; das Gleisbett weist stellenweise noch die Breite der ursprünglichen Strecke auf.

Zweigleisiger Ausbau
Mit der Fertigstellung der Strecke am 25. August 1849 begann sogleich der zweigleisige Ausbau. Dieser war für einen reibungslosen Betriebsablauf und die angestrebte hohe Kapazität notwendig. Auf den Abschnitten Ludwigshafen - Neustadt, Kaiserslautern - Homburg und Homburg - Bexbach waren dafür nur wenige Arbeiten erforderlich. Diese beschränkten sich meist auf Erweiterungen des Gleisbetts und die Verlegung der neuen Gleise. Zwischen Neustadt und Kaiserslautern waren die Tunnel gleich zu Beginn der Arbeiten auf diesem Abschnitt für zwei Gleise konzipiert worden, sodass auch hier nur Erweiterungen des Gleisbetts auf den Abschnitten außerhalb der Tunnel erforderlich waren. Infolge der Enge der Landschaftseinschnitte, speziell zwischen Neustadt und Frankenstein, waren diese Arbeiten teilweise mit erheblichem Aufwand verbunden.
Nichtsdestotrotz konnte im Juli 1856 der zweigleisige Betrieb in voller Länge aufgenommen werden.

Errichtung großer Güterverkehrsanlagen
Gleichzeitig mit Inbetriebnahme des zweiten Streckengleises auf der gesamten Streckenlänge nahm auch der Güterverkehr zu der Strecke benachbarten Unternehmen und Fabriken zu.
Während in Bexbach und Neunkirchen bedingt durch die Montanindustrie bereits umfangreiche Güterverkehrsanlagen existierten, wurden diese in Homburg teilweise nachgerüstet. So errichtete man mit der Ansiedlung der Firma Krupp Stahl in Homburg einen Abzweig von der Bliestalbahn Homburg - Bierbach, um der Firma die Möglichkeit zu geben, ihre Erzeugnisse per Bahn transportieren zu lassen. Dieser Anschluss wird heute noch genutzt.
Weiterhin errichtete man in Einsiedlerhof einen großen Rangierbahnhof, welcher hauptsächlich als Ersatz für den alten Rangierbahnhof Kaiserslautern diente. Dieser ging 1920 in Betrieb und ist heute noch in etwas zurückgebautem Zustand in Betrieb (siehe dazu: Die Betriebsstelle Einsiedlerhof).
Weiterhin erhielten viele kleinere Bahnhöfe eigene Güterabfertigungen. Ebenso wurden die großen Bahnhöfe, wie z.B. Neustadt, mit einem eigenen Rangierbahnhof ausgestattet, welche - je nach benötigter Kapazität - größer oder kleiner sein konnten. Für das Beispiel Neustadt wäre dies der Güterbahnhof Neustadt, welcher heute vorrangig als Abstell- und Überholmöglichkeit dient; hier befindet sich heute auch die Haltestelle Neustadt-Böbig.

Weiterführung von Ludwigshafen nach Mannheim
In den ursprünglichen Plaungen war die Verlängerung der Strecke von Ludwigshafen nach Mannheim nicht vorgesehen. Mit dem Bau der linken Rheinstrecke von Koblenz nach Mainz und der Strecke Mainz - Ludwigshafen mit einer Verlängerung nach Mannheim wurde eine Verlängerung der Pfälzischen Ludwigsbahn nach Mannheim möglich, welche auch genutzt wurde.
Es wurde dazu eine feste Brücke über den Rhein errichtet, welche dem Bahn- und Straßenverkehr gleichermaßen zur Verfügung stand. Diese ging am 25. Februar 1867 in Betrieb. Im Zuge des Streckenausbaus wurde diese Brücke 2003 durch eine zweite ergänzt (siehe Kapitel Ausbau).
Mit der Verlängerung nach Mannheim einher ging die Errichtung des Bahnhofs Ludwigshafen als Kopfbahnhof. Dieser entsprach einer Erweiterung des bereits 1845 mit Baubeginn der Pfälzischen Ludwigsbahn errichteten Bahnhofs, die nun auch die Strecke Mainz - Ludwigshafen bediente. Durchgehende Züge von Bexbach nach Mannheim waren somit zwar möglich, allerdings mussten diese in Ludwigshafen ihre Fahrtrichtung ändern, was zusätzlich Zeit in Anspruch nahm. Eine Umfahrung des Kopfbahnhofs für nicht haltende Züge existierte zur damaligen Zeit nicht und wurde auch nie geplant oder gebaut.

Wechsel der Bahnverwaltungen und Erster Weltkrieg
Mit dem 1. Januar 1909 ging die Pfälzische Ludwigsbahn von der Verwaltung der Pfalzbahn an den Verwaltungsbereich der Bayrischen Staatsbahn über.
Während des Ersten Weltkrieges kam es speziell auf den größeren Bahnhöfen entlang der Strecke zu größeren Beschädigungen und Beeinträchtigungen. Diese wurden nach Ende des Krieges schrittweise und zügig beseitigt, um den Eisenbahnbetrieb so schnell wie möglich wieder in seinen Normalzustand zurückzuführen.
Mit der Zuteilung des Saargebiets zur Völkerbundsverwaltung nach Ende des Ersten Weltkrieges verwaltete fortan die Saareisenbahn die auf saarländischem Gebiet verlaufenden Streckenteile der Pfälzischen Ludwigsbahn. Die übrigen Streckenabschnitte gingen an die Deutsche Reichsbahn. Nach erfolgter Eingliederung des Saargebietes 1935 in das Deutsche Reich wurde die Saareisenbahn aufgelöst, die Verwaltung der gesamten Pfälzischen Ludwigsbahn oblag fortan der Deutschen Reichsbahn-Gesellschaft. Kurz darauf überschattete der Zweite Weltkrieg das Betriebsgeschehen.

Völkerbund und Zollbestimmungen: Homburg (Saar) als Zollkontrollstelle, 1. Kapitel
Mit Ende des Ersten Weltkrieges und der Übergabe des Saargebietes an den Völkerbund wurde aufgrund der Bestimmungen des Vertrages von Versailles ab 1925 zwischen Deutschland und dem Saargebiet neue Zollbestimmungen wirksam. Die Grenze zwischen diesen beiden Staaten verlief auf Höhe der heutigen Landesgrenze Saarland/Rheinland-Pfalz bei Vogelbach. Zur Umsetzung der neuen Zollschranken errichtete man kurz vor Homburg (Saar) Hbf einen eigenen Zollbahnhof, welcher auf Grund der heutigen Gemeinden Limbach und Altstadt aufgebaut wurde. Dieser neue Zollbahnhof diente im Wesentlichen der Güterabfertigung, Personenzüge wurden im Hauptbahnhof Homburg (Saar) abgefertigt.
Die Ein- und Ausfahrt aus dem Zollbahnhof war auf zwei Strecken möglich; die Entscheidung, welche Strecke nun benutzt wurde, stützte sich dabei auf Herkunfts- und Bestimmungsort der Züge. Für Züge aus und in Richtung Ludwigshafen, die zolltechnisch abgefertigt wurden, errichtete man eine zweigleisige Zufahrt vom Hauptbahnhof aus. Diese wurde zwischen den Bexbacher und St Ingberter Streckenast eingefügt und führte auf direktem Weg in den Hauptbahnhof Homburg. Diese Einfahrt existiert heute noch, wurde zwischenzeitlich jedoch auf ein Gleis reduziert. Genutzt wird sie heute noch von der im Zollbahnhof ansässigen Firma BahnLog zur Zu- und Abführung von Alt- und aufbereitetem Schotter.
Züge aus und in Richtung St Ingbert führte man über eine eigene und ebenfalls zweigleisige Zufahrt, welche unmittelbar vor dem Bahnhof Limbach auf die Hauptsrecke traf, direkt vom Zollbahnhof aus durch einen tieferen Einschnitt auf den St Ingberter Streckenast. Der Bau dieses Einschnitts war sehr zeitaufwendig; auf gesamter Breite der Zufahrt musste eine Schlucht aus massivem Fels gesprengt werden.
Züge aus und in Richtung Bexbach mit zolltechnischer Behandlung erreichten und verließen den Zollbahnhof entweder über die Zufahrt in den Hauptbahnhof oder über eine eigene Verbindungsstrecke, welche kurz vor dem Bahnhof Altstadt auf den Bexbacher Streckenast traf. Weiterhin existierte auch eine Verbindung auf den Zweibrücker Streckenast, dieser traf in Höhe des heutigen Homburger Stadtteils Beeden auf die Hauptstrecke und ermöglichte so - ähnlich wie Bexbacher Verbindungsstrecke - einen reibungsloseren Verkehr in und aus dem Zollbahnhof ohne aufwendiges Kopfmachen im Hauptbahnhof.
Darüber hinaus verlängerte man zwei mittig gelegene Gleise aus dem Zollbahnhof heraus in Richtung Westen. Diese Verlängerungen endeten kurz vor dem Bahnhof Limbach und waren nicht mit der Hauptstrecke verbunden. Sie dienten im Wesentlichen als Ausziehgleis für längere Züge, falls für diese innerhalb des Bahnhofs ein Gleiswechsel erforderlich wurde. Während des Zweiten Weltkrieges wurde eine diese Gleise tragende Brücke über eine tiefere Schlucht zerstört, dies Gleise fortan unbenutzbar. Die Brücke wurde nicht wieder aufgebaut, die Gleise werden jedoch auf verkürzter Länge heute wieder genutzt.
Um den aus dem Umland anreisenden Arbeitern und Zöllnern eine gute Anreisemöglichkeit zu ihrer Arbeitsstätte ohne weite Wege zu ermöglichen, erhielt der Zollbahnhof einen eigenen Haltepunkt, welcher als Homburg (Saar) West bezeichnet wurde. Dieser bestand aus einem Bahnsteig parallel zum Saarbrücker Richtungsgleis des St Ingberter Streckenastes und wurde von allen Nahverkehrszügen angefahren. Gleichzeitig errichtete man 1925 auf der Südseite der Hauptstrecke ein Wohngebäude, welches Arbeitern, Zöllnern und ihren Familien zur Verfügung stand. Über eine hoch gelegene Fußgängerbrücke, welche die parallel zur Bahnstrecke verlaufende Straße und die Bahnstrecke gleichermaßen überquerte, konnte man bequem den Zollbahnhof erreichen. Diese Brücke diente auch zum Zu- und Abgang auf den bzw. vom Bahnsteig des Haltepunkts. Der Haltepunkt wurde mit Beginn der 1960er Jahre mangels Bedarf abgerissen; die Strecke weist heute in diesem Bereich jedoch nach wie vor ein breiteres Profil auf, auch anhand der aufgestellten Quertragwerke anstatt einfacher Oberleitungsmasten ist die Lage des Haltepunkts noch heute deutlich erkennbar.
Mit der Rückeingliederung des Saargebietes in das Deutsche Reich 1935 und dem beginnenden Zweiten Weltkrieg 1939 verlor der Zollbahnhof seine Bedeutung als Zollabfertigungsstelle. Das Areal samt seiner Zuführstrecken diente fortan nur noch als Verschiebebahnhof für Material und Personen. Während des Krieges gab es hier durch umfangreiche Luftangriffe großflächige Zerstörungen. Nach Ende des Zweiten Weltkrieges und der Unabhängigkeit des Saarlandes als Saarprotektorat wurde der Bahnhof weiterhin als Abstell- und Verschiebebahnhof genutzt; viele zerstörte Wagen und Lokomotiven wurden hier hinterstellt. So diente beispielsweise die Verbindungsstrecke zur Zweibrücker Strecke als Abstellgleis für alte und beschädigte Personenwagen. Mit der Rückeingliederung des Saarlandes 1957 in die Bundesrepublik Deutschland verlor der Bahnhof endgültig seine Daseinsberechtigung. Der Betrieb wurde eingestellt, die - aus dem Kriege noch intakt hervorgegangenen - Gleisanlagen teilweise zurückgebaut. Die Zufahrt von der St Ingberter Strecke wurde, ebenso wie die Verbndungsstrecke zum Bexbacher Ast, vollständig abgebaut; die Zufahrt zum Hauptbahnhof wurde ihres zweiten Gleises beraubt.
Die Deutsche Bundesbahn nutzte das Gelände fortan für bahnbauspezifische Aufgaben. Schnell wurde das Gelände als "Gleisbauhof Homburg" bekannt. Bis Anfang der 1990er Jahre nutzte die Firma ThyssenKrupp das Gelände als Schienenschweißwerk. Dazu pendelte mehrmals täglich zum Schichtwechsel ein alter Schienenbus, je nach Bedarf und Kapazität auch mit entsprechenden Beiwagen, in den alten Zollbahnhof und wieder zurück. Nach Auflösung des Werks 1995 entfielen auch diese Fahrten; das Gelände wurde nun ausschließlich von der Deutschen Bundesbahn bzw. Deutschen Bahn AG und ihrer Infrastrukturtochterunternehmen, wie z.B. DB Bahnbau GmbH, als Abstell- und Werksgelände genutzt. 2005 siedelte sich hier die Firma BahnLog GmbH an, welche alten Gleisschotter wieder aufbereitet und dazu auch die alte Zufahrt in den Hauptbahnhof regelmäßig nutzt.
Weitere Informationen zum Zollbahnhof können auf der Seite Die Entwicklung des Bahnknotens Homburg (Saar) abgerufen werden.