Der Bahnhof Westerburg ist der wichtigste Knotenpunkt auf der Oberwesterwaldbahn Limburg-Altenkirchen, die hier am 1.10.1886 eröffnet wurde. Erst 1907 kam die Westerwaldquerbahn aus Herborn und Rennerod hinzu, die über die markante Fachwerkbrücke über das Hülsbachtal in den Bahnhof eingeführt wurde. Der Bahnhof wurde durch die Anordnung der Gleise vor dem Empfangsgebäude zu einen Inselbahnhof. 1910 wurde die Strecke nach Montabaur verlängert. Leider ging es von dort nur über Umwege weiter nach Koblenz, was bei dieser Bahnlinie zu einem gewissen Schattendasein führte. Der Personenverkehr östlich von Rennerod wurde schon 1959 eingestellt. Der Personenverkehr von Westerburg nach Rennerod und Montabaur wurde am 31.5.1981 eingestellt und die Strecke bis Wallmerod abgebaut Auf der Bahntrasse wurde ein Radweg angelegt. Nach Rennerod fuhren noch bis 1995 Güterzüge. Danach erfolgte 1998 die Gesamtsstillegung. Die Hülsbachtalbrücke steht seit 1985 unter Denkmalschutz, ist aber gesperrt. Die Gleise nach Rennerod liegen noch.
Die Oberwesterwaldbahn konnte hingegen erhalten werden, wird aber seit 2004 nicht mehr von der DB bedient. Hier verkehren nun Züge der HLB im Stundentakt von Limburg über Altenkirchen nach Siegen mit zusätzlicher Verdichtung auf Halbstundentakt zwischen Westerburg und Limburg an Wochentagen. Wie auch auf der Westerwaldquerbahn wurden hier bereits in den 1950er-Jahren Schienenbusse eingesetzt, später auch Akkutriebwagen. Diese sind in 2025 in moderner Form als Zweisystemfahrzeuge auf die Strecke zurückgekehrt, die als reine Elektrofahrzeuge zwischen Au(Sieg) und Siegen unter der Fahrleitung die Akkus aufladen können, um dann abgasfrei durch den Westerwald zu fahren. Aktuell wird der Betrieb mit Dieseltriebwagen vom Typ LINT abgewickelt. Aber es existiert auch noch ein Triebwagen der Baureihe 628, mit der die Strecke 1993 modernisiert wurde. Die Zukunft dieser Strecke scheint damit gesichert zu sein. Aber auch die Vergangenheit kann im Erlebnisbahnhof Westerburg besichtigt werden, wo unter anderem eine Dampflok und mehrere Dieselloks zu sehen sind. Die Signaltechnik wurde 2016 mit einem elektronischen Stellwerk modernisiert, mit dem das mechanische Stellwerk von 1907 ersetzt wurde. Ein markantes früheres Stellwerksgebäude befindet sich am westlichen Bahnübergang, das andere am Erlebnisbahnhof.