Kereta api Menoreh pertama kali beroperasi pada 21 September 2012 untuk menggantikan layanan Kereta api Fajar Utama Semarang dari Jakarta dan Kereta api Senja Utama Semarang dari Semarang, dan 19 Agustus 2014 untuk menggantikan layanan Kereta api Fajar Utama Semarang dari Semarang dan Kereta api Senja Utama Semarang dari Jakarta.[1][2] Pada grafik perjalanan kereta api tahun 2015, kereta api ini sempat melayani sebanyak dua kali perjalanan pagi dan malam.[3] Namun, pengoperasian kereta api Menoreh I (jadwal pagi dari Jakarta dan jadwal malam dari Semarang) dihentikan mulai 4 Oktober 2016 karena tingkat okupansi yang rendah, sehingga rangkaian kereta yang tidak terpakai digunakan untuk pengoperasian kereta api Ambrawa Ekspres lintas Semarang Poncol–Surabaya Pasar Turi.[4]
Mulai 10 Februari 2021, kereta api Menoreh berhenti di Stasiun Pegaden Baru (arah Jakarta Kota) untuk melayani penumpang.
Untuk mengurangi kepadatan di Stasiun Pasar Senen, PT KAI mengubah mekanisme perjalanan beberapa kereta api yang berdampak pada pemanjangan rute kereta api Menoreh hingga Stasiun Jakarta Kota mulai 29 Mei 2019.
Seiring dengan titik keberangkatan dari Stasiun Jakarta Kota, penumpang Kereta api Menoreh terlalu sepi, akhirnya dikembalikan ke Stasiun Pasar Senen mulai 1 Juni 2023 sejak diberlakukan GAPEKA 2023.
Sebagai bagian dari peningkatan layanan kereta api, kereta api Menoreh akan menggunakan rangkaian kereta api ekonomi new generation hasil modifikasi dengan 72 tempat duduk mulai 1 September 2024.[5]
Tarif
Tarif kereta api ini berkisar antara Rp120.000,-–Rp250.000,- tergantung pada jarak tempuh, subkelas/posisi tempat duduk di dalam kereta, serta hari-hari tertentu seperti akhir pekan dan libur nasional. Selain itu, berlaku pula tarif khusus yang dapat dipesan mulai dua jam sebelum keberangkatan kereta api ini pada stasiun yang berada dalam lintas berikut :
Pada 8 Maret 2014, sebuah bus Haryanto pariwisata yang mengangkut rombongan anak-anak tertemper kereta api Menoreh saat melewati perlintasan jaga kereta api (PJL) 101 Cibitung sebelah bekas Stasiun Cibitung di petak Stasiun Cikarang dan Stasiun Tambun yang mengakibatkan lokomotif rusak, tetapi sang sopir bus berhasil kabur dan kernet diamankan.[6]
Hanya berisi layanan kereta api yang dioperasikan oleh induk perusahaan. Untuk layanan yang dioperasikan oleh anak perusahaan, lihat Templat:KAI Commuter untuk layanan KAI Commuter, Templat:KAI Bandara untuk layanan KAI Bandara dan Templat:KCIC untuk layanan KCIC/Whoosh