La gare de Carpentras est utilisée pour le fret ferroviaire. De nombreuses entreprises se sont installées à proximité pour bénéficier de ce mode de transport. Notamment, la graineterie Roux, qui a expédié ses produits régionalement et nationalement (voire internationalement), via cette gare, de 1907 à 2001.
En 2019, la SNCF estime à 313 857 voyageurs la fréquentation annuelle de la gare.
Cette gare a rouvert au service voyageurs le 25 avril 2015. Le département de Vaucluse et la région Paca font circuler un TER sur la relation d'Avignon à Carpentras après un retard de 5 mois, annoncé par RFF-SNCF en novembre 2014. Une nouvelle gare a été construite, en gardant, pour le moment, les locaux de l'ancienne gare, à proximité. Celle-ci est également en service pour le pôle Autobus / LER. En effet, cette gare sert de « pole d'échange multimodal » (Carpentras PEM) comprenant bus, vélo, train.