Da subito la ferrovia riscosse un notevole successo grazie alla rapidità con cui garantiva lo spostamento sia di passeggeri che di merci tra l'Italia centro-settentrionale e la città eterna. Allo scopo di semplificare il tracciato e ridurre ulteriormente i tempi di percorrenza, nel 1871 fu aperto un raccordo che collegava lo scalo di Collesalvetti alla stazione di Pisa Centrale; ciò provocò le proteste degli abitanti di Livorno, che di fatto si vedevano tagliati fuori dalla direttrice principale.
Proprio per non isolare l'abitato di Livorno e il suo importante porto, agli inizi del Novecento si decise di potenziare la ferrovia Tirrenica costruendo una variante di tracciato che semplificasse i collegamenti tra la città labronica e Roma. I lavori iniziarono nel 1905 e si conclusero cinque anni dopo, con l'apertura della linea litoranea Livorno-Vada, che dato il notevole risparmio di tempo che permetteva acquistò immediatamente una grande importanza a discapito del tracciato originario passante per Collesalvetti, che entrò in una fase di declino.
Negli anni il percorso della ferrovia non ha subito mutamenti di rilievo ed è stato dotato dei più moderni sistemi di controllo del traffico. L'ultima modifica al tracciato degna di nota risale al 1990, quando è stata inaugurata una variante alle porte di Roma: il nuovo binario entrava nella capitale da est attraversando diverse gallerie e garantendo un notevole risparmio di tempo rispetto al percorso originario passante per Ponte Galeria, più lungo e curvilineo e in parte condiviso con la ferrovia Roma-Fiumicino, che invece entrava nella città eterna da sud.
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La linea è interamente a doppio binario ed è elettrificata a 3000 volt a corrente continua. Lunga in totale 312 chilometri, la ferrovia è interessata sia da servizio passeggeri che da servizio merci; i treni che la percorrono possono raggiungere velocità massime di 200 km/h in rango P, soprattutto nel tratto compreso fra le stazioni di Cecina e Montalto, che presenta un'andatura prevalentemente pianeggiante e pressoché rettilinea[3]
Sempre correndo nelle immediate vicinanze della costa, la ferrovia giunge a Civitavecchia e si collega alla ferrovia Roma-Civitavecchia, procedendo in direzione di Fiumicino. Poco dopo la stazione di Maccarese-Fregene il tracciato si sdoppia: la variante aperta nel 1990 piega verso est ed entra nell'abitato di Roma dopo aver superato numerose gallerie, mentre il percorso originario della linea, maggiormente lungo e curvilineo, entra nella capitale da sud, ricongiungendosi alla variante all'altezza della stazione di Roma Trastevere. Il tracciato si attesta infine presso la stazione di Roma Termini.
^Sviluppo delle ferrovie italiane dal 1839 al 31 dicembre 1926, Roma, Ufficio Centrale di Statistica delle Ferrovie dello Stato, 1927. Vedi Alessandro Tuzza, Trenidicarta.it. URL consultato il 15 gennaio 2012.
^S. Ceccarini, La Stazione di Livorno Centrale: 3 luglio 1910 - 3 luglio 2010, in "Il Pentagono", n. 6, giugno/luglio 2010, pp. 8-11.
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