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. Saat ini, KA Mataram beroperasi dengan menggunakan rangkaian 2 kereta kelas eksekutif, 7 kereta kelas ekonomi premium, 1 kereta makan, serta 1 kereta pembangkit.
Mulai 9 Desember 2024, kereta api ini resmi menggunakan kereta ekonomi generasi terbaru dan cadangan kereta eksekutif generasi terbaru milik Argo Lawu/Argo Dwipangga berbahan baja nirkarat buatan PT INKA Madiun.
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