Den eldste delen av banen er strekningen Notodden–Tinnoset som åpnet i 1909. I 1917 åpnet så strekningen Porsgrunn–Hjuksebø–Notodden. Norsk Hydro anla en transportlinje fra Rjukan til Herøya i Porsgrunn for transport fra sin produksjon av kunstgjødsel på Rjukan. Foruten jernbane inngikk også jernbaneferge over Tinnsjøen i transportlinjen. Fram til 1917 var det også båttransport på kanalene fra Notodden ned til Skien. Da Norsk Hydro la ned kunstgjødselproduksjonen på Rjukan i 1991, ble det også slutt på togtrafikken nord for Notodden.

I dag har Tinnosbanen åtte lokaltog i hver retning mellom Notodden og Grenland på hverdager. Banen utgjør et viktig bindeledd mellom byene i Telemark, og en del av togene har forbindelser til og fra Sørlandsbanen på Nordagutu.

Tinnosbanens infrastruktur og bygninger er fredet og inngår sammen med Rjukanbanens anlegg og Tinnsjøfergene i Unescos verdensarvliste over viktige kulturminner.