От създаването на линията до въвеждането на първите дизелови мотриси за пътнически превози през 1942 година, цялата дейност по нея се извършва с парни локомотиви. Парната тракция доминира до 1965 година, когато биват доставени и първите дизелови локомотиви, които постепенно изместват парата и от товарните превози. В цялата история на линията, общо 25 броя парни локомотиви от три различни серии са кръстосвали тесните релси между Септември и Добринище. Между края на Втората световна война и 1950 година, по теснолинейката временно се движат и три локомотива от серия 92.000 "Mallet", взети под наем от югославските железници, но биват върнати след доставката на локомотивите серия 600.76.

На два етапа, през 1942 година и още веднъж през 1952 година, БДЖ въвеждат в експлоатация общо 7 броя дизелови теснопътни мотриси за обслужване на пътническото движение по линията Септември - Добринище, а по-късно и по клон Варвара - Пазарджик. Те са представители на две отделни серии от един и същ производител - унгарската фирма „Ganz“.

С въвеждането си през 1965 г., първите 10 дизелови локомотива за теснолинейката Септември - Добринище заместват парната тракция в товарните превози и мотрисите серии 81-00 и 82-00 в превоза на пътници на дълги разстояния. Към този момент новите локомотиви са най-мощните теснопътни такива в света. След две допълнителни доставки от Румъния, БДЖ е разполагала с общо 35 магистрални дизелови локомотива за междурелсие 760мм., с които обслужва линиите Септември-Добринище, Пазарджик-Варвара и Червен бряг-Оряхово.

За нуждите на маневрената дейност в пътническите и най-вече в товарните превози, по гарите на теснолинейката са работили общо 12 маневрени локомотива през годините. Машините са представители на 4 различни серии, а поради увеличен обем на товарната дейност и недостиг на маневрени локомотиви, на два пъти бива изпращан и парен локомотив от серия 600.76 на гара Велинград, където бива държан в постоянен работен режим и използван за маневрена дейност. В днешно време в експлоатация са само два локомотива от серия 81-000, които извършват цялата маневрена дейност на гара Септември-теснопътна.

В момента на откриването на първия участък от бъдещата линия Татар Пазарджик - Неврокоп през 1926 година, Родопската теснолинейка разполага с 4 вагона. Следват бурен развой на линията, увеличение на пътническото движение и неколкократни доставки на вагони, а по-късно и свиване на дейността и извеждане на много вагони от експлоатация. Така към 2015 година теснолинейката Септември - Добринище разполага с 30 пътнически вагона, 3 фургона, които не са в движение и 2 коша на бюфет-вагони. Също така в гара Септември-теснопътна домуват и двата ретровагона за атракционния влаков състав "Носталигия".

Първите товарни вагони за линията са доставени през 1926 година. За следващите 76 години товарният транспорт по линията добива огромни размери, извършват се доставки на стотици товарни вагони - фургони, платформи, за насипни товари, цистерни и други. След 1990 година обемът на товарните превози драстично намалява и постепенно се стига до пълното спиране на товарното движение по линията Септември - Добринище през 2002 година. Така единствените налични днес товарни вагони са изоставени и ръждясват по коловозите на гарите Септември, Велинград, Разлог и Банско.