Am 23. August 1884 fuhr der erste dampfbetriebene Zahnradbahnzug auf Meterspur von der Talhaltestelle Marienplatz im Stadtteil Heslach im Stadtbezirk Süd zur 205 Meter höher gelegenen, bis 1908 noch eigenständigen Gemeinde Degerloch. Emil Kessler Junior, Chef der Maschinenfabrik Esslingen, hatte diese erste Stuttgarter Bergbahn auf eigene Rechnung erbaut und hierbei viele technische und behördliche Hürden genommen, denn es handelte sich um die erste Zahnradbahn Württembergs für den öffentlichen Personenverkehr. Seit 1876 hatte es nur eine nicht öffentliche meterspurige Werkszahnradbahn des Königlich Württembergischen Hüttenwerks in Wasseralfingen gegeben.
Vor allem nach der 1888 erfolgten Verlängerung nach Möhringen und Hohenheim als Dampfstraßenbahn durch die nunmehr gegründete Filderbahngesellschaft (FGB) diente die Zahnradbahn im städtischen Nahverkehr als Bindeglied zwischen den auf den Fildern gelegenen Gemeinden und der Landeshauptstadt. Der rege Zuspruch durch die Berufspendler brachte die Dampflokomotiven mit ihren Vorstellwagen schnell an ihre Belastungsgrenzen. 1904 wurde daher der leistungsfähigere elektrische Betrieb dauerhaft aufgenommen.
Trotz des Baus einer durchgehenden Vorortstraßenbahn aus der Innenstadt über die Neue Weinsteige nach Degerloch und auf die Filderhochebene durch das Konkurrenzunternehmen Stuttgarter Straßenbahnen AG (SSB) im selben Jahr behielt die Zahnradbahn ihre Bedeutung. Sie wandelte sich dabei von einem reinen Zubringer zu einem individuellen Stadtteilverkehrsträger, wozu vor allem die zunehmende Bedeutung Degerlochs beitrug. In Stuttgarts Talkessel war die Luft schon damals durch Hausbrand und Industrie sehr schlecht – so entwickelte sich Degerloch mit dem Gebiet um die Waldau für die Stuttgarter rasch zur grünen Lunge, welche man mit dieser Bahn sicher und zügig erreichen konnte. Die Zahnradbahn wurde somit schon zu Beginn des 20. Jahrhunderts zum wichtigen Förderer der touristischen Naherholung für Stuttgarts Stadtbevölkerung.
Ab 1905 ging die Betriebsführung an das FBG-Nachfolgeunternehmen Württembergische Nebenbahnen (WN) über. Nach Ausbruch des Ersten Weltkrieges musste der elektrische Betrieb (600 Volt Gleichstrom) aus Mangel an Strom und Ersatzteilen für die elektrischen Triebwagen teilweise ganz eingestellt und der Dampfbetrieb eingeschränkt wieder aufgenommen werden. Die Württembergischen Nebenbahnen schrieben auch nach dem Krieg immer größere Verluste, so dass die Stadt Stuttgart mit Hilfe des Landes zum 1. März 1920 fast das ganze Netz der Filderbahn kaufen musste. Die Zahnradbahn wird seither von den SSB betrieben.
Heute beginnt die Strecke auf dem Marienplatz in 265 Meter Höhe im Stadtbezirk Süd. Die talseitige Endhaltestelle wurde 1936 hierher verlegt, um eine bessere Verknüpfung mit der Straßenbahn herzustellen. 1971 und 2003 folgten grundlegende Umgestaltungen des Marienplatzes, wofür jeweils auch die Haltestelle und 2003 die Brücke über die Filderstraße neu und filigran erbaut wurden. Nach deren Überquerung führt eine eigene Trasse bergauf zur Kreuzung Alte Weinsteige/Liststraße. Hier befindet sich die erste Haltestelle Liststraße. Die Strecke trifft hier auf den alten Streckenabschnitt von 1884 bis 1936, der heute nur noch für Betriebszwecke die Anfahrt zum Depot sicherstellt. Die frühere Talstation, der sogenannte Filderbahnhof, dient heute als Unterstellmöglichkeit für die drei Triebwagen und als Werkstatthalle. Gleichzeitig beherbergt der Betriebshof das „Theater Rampe“. Die Abstellgleise im Depot sind über eine vor dem Gebäude liegende Schiebebühne mit dem Streckengleis verbunden.
Ab der Haltestelle Liststraße (Höhe 277 Meter) bei Kilometer 0,2 verläuft die Bahn größtenteils entlang der Alten Weinsteige, welche vom Mittelalter bis Anfang des 19. Jahrhunderts als einzige Hauptstraße aus dem Talkessel auf die Filderebene hinaufführte. Bei Kilometer 0,7 wird die Haltestelle Pfaffenweg (Höhe 354 Meter) erreicht. Nach weiteren 300 Metern wird die Haltestelle Wielandshöhe (Höhe 392 Meter) angefahren. Diese Haltestelle dient der eingleisigen Strecke als Ausweich- und Kreuzungspunkt, wo sich der berg- und talwärts fahrende Triebwagen treffen. Seit 1983 werden die Weichen automatisch vom Fahrzeug aus gesteuert. Das 1957 errichtete, erhöhte Stellwerkshäuschen kann jedoch noch als „Rückfallebene“, also für einen möglichen Notbetrieb genutzt werden. Während der Fahrt hat man auf diesem Streckenabschnitt einen prächtigen Panoramablick über den Talkessel von Stuttgart.
Bei Kilometer 1,3 wird die Haltestelle Haigst (Höhe 429 Meter) erreicht, an der sich ab 1902 für knapp ein Jahr die erste Unterwegs-Ausweiche befand. Ursprünglich hieß die Haltestelle Königssträßle, bis sie 1936 nach der benachbarten Haigstsiedlung benannt wurde. Im weiteren Verlauf wird die Neue Weinsteige seit 1965 auf einer modernen Stahlbetonbrücke überquert. Die zuvor errichtete Stahlgitterbrücke wurde im Volksmund als sogenannte „Türkenbrücke“ bezeichnet, da sie vom Hersteller, der Maschinenfabrik Esslingen, ursprünglich zur Auslieferung in die Türkei vorgesehen war.
Bei Kilometer 1,7 befindet sich die Haltestelle Nägelestraße (Höhe 473 Meter). Einst diente dieser Halt den Besuchern des nahe gelegenen Degerlocher Aussichtsturms, der vom Degerlocher Mitbegründer der Zahnradbahn, dem Ziegeleibesitzer Karl Kühner, erbaut worden war. Ungewöhnlich für eine Zahnradbahn bildet die Nägelestraße den Scheitelpunkt der Strecke, die ab hier leicht bergab und dann in der Ebene weiter verläuft.
Nach weiteren 200 Streckenmetern wird die Filderhochfläche bei der Haltestelle Zahnradbahnhof in Degerloch (Höhe 471 Meter) erreicht. In einer zweigleisigen Fachwerkhalle, die von Einheimischen aufgrund ihres Aussehens „Hundehütte“ genannt wurde, endete ursprünglich die Zahnradbahn. Mit Fortsetzung der zahnstangenlosen Strecke Richtung Möhringen wurde die als „Bahnhof Degerloch“ bezeichnete Endhaltestelle ab 1888 zum Durchgangsbahnhof. Nachdem ab 1929 die Straßenbahnen auf der Neuen Weinsteige durchgehend verkehrten, schwand die Bedeutung des Zahnradbahnhofs Degerloch. Die hölzerne Halle wurde zugunsten des Straßenverkehrs abgerissen und erst 1977 durch einen schlichten Zweckbau ersetzt. Mit der Verlängerung der Zahnradbahn zum Degerlocher Albplatz 1994 wurde auch das Stationsgebäude von 1977 wieder entfernt. Heute befindet sich auf dieser Fläche das Altersheim „Haus am Zahnradbahnhof“.
Seit 1994 endet die Strecke bei Kilometer 2,2 an der neuen Endhaltestelle Degerloch am Albplatz unweit der Ortsmitte auf einer Höhe von 469 Meter. Somit entstand erneut die Gleisverbindung, die bis etwa 1971 als Dienstgleis noch vorhanden war. Mit Aufzügen ist die Haltestelle mit der unterirdischen Station der Stadtbahn verbunden, die mit der Eröffnung des Weinsteige-Stadtbahntunnels 1990 eingerichtet wurde.
Die Stuttgarter Zahnradbahn verfügt über ein Zahnstangensystem des schweizerischen Erfinders Niklaus Riggenbach. Als technische Besonderheit besitzt sie eine tiefliegende Zahnstange, da sie ursprünglich vorwiegend direkt im Straßenplanum, also auf einer Ebene mit der Oberfläche der Alten Weinsteige verlief und damit der Straßenbahn auf Reibungsstrecken gleichkommt. Da die Zahnstange hier nicht höher als die Oberkante der Schienen liegen darf, mussten spezielle Weichen mit Zahnstangen angefertigt werden.
Die ersten drei zwischen 1883 und 1885 von der Maschinenfabrik Esslingen (ME) gelieferten Zahnrad-Dampflokomotiven trugen die Namen „Stuttgart“, „Degerloch“ und „Filder“. 1898 kamen noch die Dampflokomotiven „Alb“ und „Aussicht“ hinzu. Ab 1902 wurde die Loks zur Verschrottung verkauft, doch 1918 musste wegen der herabgewirtschafteten elektrischen Einrichtung notgedrungen nochmals mit Dampf gefahren werden, wozu man zwei gebrauchte Lokomotiven aus der Schweiz übernahm. 1922 endete der Dampfbetrieb dann endgültig. Die Personenwagen durften aus Sicherheitsgründen nur auf der Bergseite mitgeführt werden. Neben diesen insgesamt acht sogenannten Vorstellwagen gab es noch vier offene Sommerwagen. Bis 1980 standen drei der Vorstellwagen noch im Dienst der SSB, heute sind sie unter anderem auf der Ostalb bei der Härtsfeld-Museumsbahn im Einsatz. Einen Eindruck von der ersten Fahrzeuggeneration der Stuttgarter Zahnradbahn vermitteln heute noch die dampfbetriebenen Touristenzüge der österreichischen Achenseebahn in Tirol, da sie in Österreich in Lizenz nach den Plänen der Esslinger Fabrik gebaut wurden und in ihrer Bauweise praktisch gleich sind.
Ab 1902 gab es vier, ab 1912 fünf elektrische Triebwagen. Sie schieden bis 1954 aus. 1935 und 1950 wurden insgesamt fünf weitere dreiachsige Triebwagen geliefert. Der letzte wurde erst 1984 außer Dienst gestellt und ist heute nebst einem Vorstellwagen in der Straßenbahnwelt in Stuttgart-Bad Cannstatt museal erhalten, ein weiterer in einem privaten Museum in Eschach-Seifertshofen.
Seit 1982 stehen die drei Zahnradtriebwagen vom Typ ZT 4, der dem Design der damaligen Stadtbahn-Triebwagen des Typs DT 8 optisch angeglichen wurde, im täglichen Betrieb. Damals wurde die elektrische Spannung auf 750 Volt angehoben. Die SSB plant die Anschaffung neuer Fahrzeuge.
Anders als die drei übrigen noch in Deutschland betriebenen Zahnradbahnen, die auf die Zugspitze und den Wendelstein in den Alpen sowie den Drachenfels bei Königswinter am Rhein führen, ist die Stuttgarter Zahnradbahn die einzige, die nicht vorwiegend touristischen Zwecken dient, sondern dem regulären öffentlichen Personennahverkehr in einer deutschen Großstadt. Im regulären Betrieb besteht ein starrer 15-Minuten-Takt, für den zwei Wagen gebraucht werden. Jede Fahrt dauert zehn Minuten. Die Bahn ist mit ihren täglich etwa 2500 Fahrgästen unverzichtbar, zumal ein Betrieb mit Bussen teurer und umständlicher wäre. Einzigartig ist der flache Vorstellwagen vor jedem der Triebwagen zur kostenlosen, aber nur bergwärts erlaubten Fahrradmitnahme. Seine zehn Stellplätze sind häufig rasch belegt ist, die Fahrgäste verladen ihre Räder selbst. Die Stuttgarter Zahnradbahn gilt heute als eines der Wahrzeichen der Landeshauptstadt und wird von den Einheimischen liebevoll als „Zacke“ oder bei den Alteingesessenen als „Zacketse“ bezeichnet.