Der Bahnhof Altenkirchen ist ein Knotenpunkt im Eisenbahnnetz und bedient die Kreisstadt Altenkirchen. Der Bahnbetrieb begann 1885 mit einem Inselbetrieb abseits des übrigen Eisenbahnnetzes zwischen Altenkirchen und Hachenburg. Dabei entstand das stattliche Bahnhofsgebäude, das unter Denkmalschutz steht. Erst 1887 kam mit der Strecke nach Au(Sieg) der Anschluss an die Hauptstrecke im Siegtal, ebenso wie die Verbindung in das Rheintal über Siershahn nach Engers. Die bewegte Topografie des Westerwaldes führte zu einer eher umwegreichen Trassierung und massiver Konkurrenz durch den Individualverkehr durch schnell befahrbare Autobahnen und Straßen mit Anbindung an die Oberzentren Koblenz, Köln und Frankfurt. Zudem konnten auf den eingleisigen Strecken auch keine hohen Geschwindigkeiten erzielt werden, was schon früh zur Abwanderung der Fahrgäste führte. Die Bundesbahn setzte ab 1952 Schienenbusse ein, später auch Akkutriebwagen. Trotzdem dauerte eine Zugfahrt nach Koblenz 1960 etwa 2 Stunden. Deshalb setzte die Bundesbahn ab 1954 bis 1967 Schiene-Straße-Busse ein, die von Koblenz bis Dierdorf über die Bundesstraße fuhren und ab Dierdorf auf Drehgestellen über die Schiene bis Betzdorf fuhren. Hierdurch konnte die Fahrzeit auf 90 Minuten verkürzt werden. Ab 1967 wurden diese Fahrzeuge durch normale Omnibusse ersetzt und man musste in Dierdorf umsteigen. 1975 begann der langsame Niedergang der Holzbachtalbahn mit der Umstellung des Wochenendverkehrs auf Busse, bis 1984 der Personenverkehr bis Siershahn komplett eingestellt wurde. Die Strecken nach Au und Limburg erfuhren hingegen ab 1993 eine Verbesserung des Zugangebotes mit stärkerer Vertaktung und dem Einsatz moderner Triebwagen der Baureihe 628. Ab 2004 wurde nach öffentlicher Ausschreibung der Bahnbetrieb durch VECTUS mit Triebwagen vom Typ LINT durchgeführt, die seit 2014 nach erneuter Ausschreibung von der hessischen Landesbahn betrieben werden. Durch Baumaßnahmen an der Oberwesterwaldbahn ist es nun auch möglich, einen durchgehenden Stundentakt von Siegen bis Limburg anzubieten. Seit Juli 2025 ist sind mit dem Typ Siemens MIREO PLUS B wieder elektrisch betriebene Triebwagen auf diese Strecke gekommen. Zwischen Siegen und Au können sie unter der Fahrleitung elektrisch verkehren und ihre Batterien für die Weiterfahrt auf der nicht elektrifizerten Strecke über Altenkirchen nach Limburg aufladen. Somit sind wieder Akkutriebwagen auf dieser Strecke unterwegs.
Die Gleisanlagen in Altenkirchen waren früher wesentlich umfangreicher, als dort noch das Bahnbetriebswerk mit Ringlokschuppen bestand, das jedoch um 1991 zusammen mit nicht mehr benötigten Güterverkehrsgleisen entfernt wurde. Danach entstand hier der Verknüpfungspunkt mit dem Busverkehr am gleichen Bahnsteig. Vorteilhaft ist, daß seit 2009 ohne Aufpreis zwischen Bahn und Bus im Verkehrsverbund Rhein-Mosel umgestiegen werden kann und Koblenz zumindest über eine Busline nach Neuwied erreichbar ist. In Richtung Köln ist Altenkirchen auch mit dem VRS-Tarif auf der Schiene erreichbar. Anläufe zur Reaktivierung des Personenverkehrs nach Siershahn gab es etwa 2004 mit Probefahrten. Auch wurden die Gleisanlagen saniert, zunächst aber nur für den Güterverkehr nach Selters.