Kereta api Purwojaya saat melayani dua layanan kelas (eksekutif dan bisnis)–melintas langsung Stasiun Kebasen, 2011
Sejarah pengoperasian Kereta Api Purwojaya dimulai sejak tahun 1986. Saat itu, untuk mengakomodir besarnya okupansi Sawunggalih khususnya penumpang dari/dan Purwokerto, maka tiap hari libur dioperasikan Kereta asistensi Sawunggalih dengan relasi lebih pendek Pasar Senen menuju Purwokerto, kemudian pada libur Natal dan Tahun Baru 1987 Kereta asistensi ini diperpanjang hingga Karanganyar dengan kelas campuran, bisnis dan ekonomi. Pertimbangan pengoperasian kereta asistensi dengan relasi tersebut, karena saat itu 60 hingga 70% penumpang Sawunggalih maupun Kutojaya Ekonomi adalah penumpang dari/menuju Purwokerto, Kroya, Gombong sampai Karanganyar saja. Kereta asistensi ini sempat diberi nama Kereta Api Romajaya yang diambil dari nama lain Karanganyar, Kebumen saat masih bersatus kadipaten.
Pada 13 Maret 1995, kereta api ini beroperasi dengan layanan kelas dengan bisnis dengan relasi Purwokerto - Gambir PP dengan nama Purwojaya, yang diambil dari singkatan relasi kereta ini, yaitu Purwokerto Jakarta Raya. Pada 31 Mei 1996, bersamaan dengan peluncuran kereta eksekutif bisnis Sawunggalih Plus (Gambir-Kutoarjo) kereta ini menambah kelas Eksekutif dan relasinya diperpanjang sampai Stasiun Cilacap, namun relasi ini hanya beroprasi pada saat weekend dan hari libur saja. Barulah tahun 1997 kereta ini resmi melayani kelas eksekutif dan berelasi hingga Stasiun Cilacap. Di tahun 2012 kereta api ini sempat berelasi ke Stasiun Pasar Senen namun tidak lama dirubah ke relasi semula.
Purwojaya kembali mengalami perubahan layanan kelas pada 23 Februari 2016, kereta api ini hanya melayani kelas eksekutif dan beroperasi menggunakan kereta eksekutif keluaran tahun 2009 dan 2010.[2] Sementara itu, beberapa bekas rangkaian kereta Purwojaya kelas eksekutif dimutasi ke Depo Kereta Kutoarjo, Yogyakarta, dan Bandung, sedangkan rangkaian kereta kelas bisnis dihibahkan ke Depo Kereta Kutoarjo, Jakarta Kota, dan Yogyakarta. Rangkaian kereta lama yang tersisa difungsikan sebagai rangkaian cadangan yang kini digunakan sebagai rangkaian kereta kelas eksekutif untuk Kereta api Kamandaka. Sebagian kereta api eksekutif keluaran tahun 2010 dimutasi ke Depo Kereta Cirebon.
Mulai 28 September 2018, kereta api Purwojaya sempat beroperasi menggunakan rangkaian kereta baja nirkarat keluaran tahun 2018 hingga dilakukan pertukaran rangkaian dengan Kereta api Bima yang menggunakan jenis Eksekutif New image dengan bahan baja ringan.
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
