Die Elsenztalbahn verdankt ihren Namen dem 53 km langen Fluss Elsenz, einem linken Nebenfluss des Neckars. Die Elsenz entspringt in Elsenz, einem Teilort von Eppingen, und mündet in Neckargemünd, etwa 12 km östlich von Heidelberg, in den Neckar. Die Bahnstrecke durchquert zunächst den südlich des Neckars gelegenen Kleinen Odenwald und anschließend die Hügellandschaft des Kraichgaus.

Teil 1: Die Elsenztalbahn wurde 1862 als badische Hauptbahn von Heidelberg über Meckesheim und Aglasterhausen nach Mosbach, Osterburken, Lauda und Würzburg eröffnet, damals unter dem Namen badische Odenwaldbahn. Die geographisch naheliegendere Streckenführung entlang des Neckars über Eberbach wurde damals nicht realisiert, da sie über hessisches Gebiet geführt hätte. Seit 1945 besteht durch die Sprengung der Neckarbrücke keine Verbindung von Obrigheim nach Neckarelz mehr, und 1971 wurde auch der Abschnitt zwischen Aglasterhausen und Obrigheim stillgelegt. 2010 erfolgte nach Elektrifizierung die Inbetriebnahme des S-Bahn-Verkehrs (S51) auf der sogenannten Schwarzbachtalbahn, der verbliebenen Stecke von Meckesheim nach Aglasterhausen.

Teil 2: Der Zweig nach Sinsheim und Bad Rappenau ging 1868 in Betrieb, die Verlängerung nach Bad Friedrichshall-Jagstfeld, wo die Elsenztalbahn wieder den Neckar erreicht, folgte ein Jahr später. In Jagstfeld besteht Anschluss an die Frankenbahn (KBS 780) nach Heilbronn und Stuttgart. In Sinsheim-Steinsfurt zweigt eine weitere Nebenbahn nach Eppingen ab, die 1900 eröffnet wurde.

Die Elsenztalbahn ist nur zwischen Neckargemünd und Meckesheim zweigleisig. Mit der Erweiterung der S-Bahn Rhein-Neckar bis Eppingen (S5) im Jahre 2009 wurde die Gesamtstrecke elektrifiziert und für den S-Bahn-Betrieb ausgebaut.