Seit der Trennung von Personen- und Güterverkehr hatte sich auch beim Bestand der Lokomotiven einiges verändert. 1924 waren die beiden exotisch anmutenden Schlepptenderloks G3 und G4 in Dienst gestellt worden. Ursprünglich waren diese bereits 1914 bei Krauss & Co. in München fertiggestellten Maschinen für die Ausfuhr in das Königreich Siam bestimmt. Doch nach Ausbruch des Ersten Weltkriegs war eine Lieferung nach Südostasien nicht mehr möglich. Die rein äußerlich an klassische Westernloks erinnernden Lokomotiven konnten von der Brohltalbahn vermutlich recht günstig erworben werden, mit ihren gerade einmal 350 PS Leistung erwiesen sie sich aber offenbar auch im Betrieb auf der Talstrecke als nicht optimal. Die G4 wurde 1937 an die Kerkerbachbahn im Westerwald verkauft, die G3 führte bis zu ihrer Ausmusterung im Jahr 1957 eher ein Schattendasein im Brohltal.
Während man die Schlepptenderloks eher als günstigen Gelegenheitskauf bezeichnen kann, waren beim Erwerb der besonders leistungsfähigen Loks I und II langfristige Überlegungen im Spiel. Ende der 1920er Jahre wurde absehbar, dass die stark beanspruchten großen Zahnradlokomotiven 1z und 2z bald verschlissen sein würden. Es begannen Planungen, den aufwändigen Zahnradbetrieb auf der Steilstrecke dauerhaft durch einen konventionellen Reibungsbetrieb (Adhäsionsbetrieb) zu ersetzen. Bei der Hunsrückbahn und anderen Steilstrecken hatte man damit bereits gute Erfahrungen gemacht. Die 1930 neu erworbene Lok I und die 1934 von der Albtalbahn übernommene Lok II brachten bei der Brohltalbahn genug Achslast auf die Schienen, um selbst mit schweren Güterzügen die Steilstrecke problemlos zu bewältigen.
Die bei Krauss & Co. in München gebaute Lok I verfügte über einen modernen und besonders effizienten Heißdampf-Kessel. Bei Maschinen dieses Typs wird der im Kessel bereits vorhandene Wasserdampf in speziellen Überhitzungsrohren auf Temperaturen über 300 Grad Celsius gebracht. Trotz ihrer Kraft und ihres Dienstgewichts von 55 Tonnen war der Kohleverbrauch der Lok I dadurch verhältnismäßig niedrig. Ebenfalls erstaunlich: Obwohl die Tenderlok fünf gekuppelte Radsätze besaß, war sie ausgesprochen kurvengängig und schonte dadurch Räder und Schienen. Von außen kaum sichtbar, waren die beiden vorderen Radsätze durch eine spezielle Konstruktion, ein sogenanntes Beugniot-Deichselgestell, zur Seite beweglich. Der mittlere der fünf Radsätze ging ohne Probleme durch die Kurven, da er keine Spurkränze besaß. Der vorletzte konnte um 30 Millimeter seitlich verschoben werden, der letzte war fest im Rahmen gelagert.
Als weitere steilstreckentaugliche Maschine kam 1934 die Lok II hinzu. Bis zu diesem Jahr waren nicht nur die drei Zahnradloks 2z (1928), 1z (1931) und 4z (1934), sondern ebenfalls die auf der Talstrecke eingesetzte Lok 10sm (1934) ausgemustert worden. Wie letztere war auch die bei der Hannoverschen Maschinenbau AG gebaute Lok II eine Maschine der Bauart Mallet, allerdings mit sechs angetriebenen Achsen deutlich länger, schwerer und stärker als die ausgediente 10sm.
Die
Zeit des Zahnradbetriebs auf der Steilstrecke war damit vorbei. Erstmals hatte die Brohltalbahn nun auch die Möglichkeit, mit den Loks I und II schwere Güterzüge über die Gesamtstrecke zu befördern und machte davon ausgiebig Gebrauch. Die übrigen Lokomotiven wurden auf der Talstrecke zwischen Brohl und Oberzissen eingesetzt sowie außerdem auf der knapp zwei Kilometer langen Strecke zum Rheinhafen.
Dieser Streckenarm vom Personenbahnhof Brohl BE über den Umladebahnhof für Güter neben der normalspurigen Rheinstrecke bis zu den Hafenanlagen spielte nicht nur eine zentrale Rolle für den Weitertransport von Waren aus dem Brohltal per Zug, Schiff oder Lastwagen. Er bekam auch zunehmend eine Bedeutung als wichtiges Zwischenglied für den Umschlag von Waren von der normalspurigen Staatsbahn zu den Rheinschiffen und umgekehrt. Aus diesem Grund wurde in den frühen 1930er und 1940er Jahren im Bereich des Umladebahnhofs und der Hafenanlagen der Bau von Dreischienengleisen massiv vorangetrieben.
Zwei Spurweiten - ein Gleis
Dreischienengleise sind sowohl von Schmalspur- als auch von Normalspurfahrzeugen befahrbar. Sie nutzen dabei auf einer Seite eine Schiene gemeinsam. Wegen ihrer unterschiedlichen Spurweiten müssen allerdings für die Räder auf der anderen Fahrzeugseite zwei Schienen vorhanden sein – eine in Schmalspurweite, eine weitere in Normalspurweite. Schmalspurlokomotiven können auf solchen Gleisen problemlos Normalspurwagen ziehen oder rangieren. Sie müssen dazu allerdings über asymmetrisch angeordnete Normalspurpuffer verfügen, denn die Mittelachsen von Schmalspurlok und Normalspurwagen sind bei einem Dreischienengleis seitlich gegeneinander versetzt.
Bestimmte Güter, deren Umladen besonders aufwändig war, wurden mit Normalspurwagen durch das Brohltal befördert. In der Anfangszeit wurden sie dazu mit ihren Achsen auf schmalspurige Rollböcke gesetzt. Ab 1928 übernahmen Rollwagen diese Aufgabe. Sie konnten jeweils einen ganzen Waggon aufnehmen. Wegen des Tunnels bei Bad Tönisstein durfte eine bestimmte Maximalhöhe nicht überschritten werden. Deshalb kamen nur relativ niedrige Waggons für diesen "Huckepack-Verkehr" in Frage.

Als Ersatz für die Schlepptenderloks G4 kam 1937 die von der Staatlichen Waldbahn Ruhpolding übernommene Lok IV hinzu. Sie stammte aus der Produktion von Krauss & Co. und wurde – wie ihre Vorgängerin – vor allem im unteren Brohltal und auf der Hafenstrecke eingesetzt. Daneben bestand großer Bedarf für eine weitere steilstreckentaugliche Lok. Deshalb wurde 1942 eine Schwestermaschine der starken und bewährten Lok I bestellt, zu deren Auslieferung es allerdings in der Zeit der rationierten Kriegswirtschaft nicht mehr kommen sollte.
Ab Mitte der 1930er Jahre stand auch der Betrieb der Steinbrüche und der Eisenbahn des Brohltals im Zeichen der nationalsozialistischen Rüstungswirtschaft: Viele der transportierten Materialien dienten zum Bau von Bunkern und Panzersperren des Westwalls. Bei Luftangriffen im Zweiten Weltkrieg wurden 1944 mehrere Abschnitte der Strecke zerstört. Während des Vormarschs der Alliierten stand ab Februar 1945 der Betrieb komplett still. Doch bereits im Juni 1945, wenige Wochen nach Kriegsende, nahm die Brohltalbahn ihren Güterverkehr wieder auf. Der Bedarf an Baustoffen war in den Nachkriegsjahren groß und die Brohltalbahn transportierte besonders große Mengen an Bims. Der poröse und sehr leichte Stein war auf den Baustellen der Wirtschaftswunderzeit sehr gefragt. Auf Wunsch der Aktionäre war die Aktiengesellschaft 1953 in eine Gesellschaft mit beschränkter Haftung (GmbH) umgewandelt worden.
1957 wurde mit der G3 auch die zweite Schlepptenderlok ausgemustert. Im gleichen Jahr hatte die Brohltalbahn von der Nassauischen Kleinbahn eine Dampflokomotive übernommen, die sie als Lok III einreihte. Die sehr leistungsfähige Tenderlok aus dem Baujahr 1951 stammte aus der Produktion der Lokomotivfabrik Arnold Jung. Ihre Aufgabe war es nun, durchgehende Güterzüge von Brohl über Oberzissen und die Steilstrecke bis nach Kempenich zu befördern. Sie tat dies in der Folgezeit im Wechsel mit Lok I. Wie diese rund 20 Jahre ältere Maschine besaß auch sie fünf gekuppelte Achsen und einen Heißdampfkessel. Diese beiden Loks waren damit besser für die Steilstrecke geeignet als die sechsachsige Mallet Lok II. Nach 23 Jahren im Brohltal endete deren Dienstzeit im Sommer 1957. Zuletzt hatte die Lok II im Schnitt 14,8 Kilo Kohle pro Streckenkilometer verbraucht. Ihr Kohlevorrat von 1,2 Tonnen reichte also gerade einmal für 80 Kilometer.
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