Zwischen 1960 und 1965 wurde die Rübelandbahn elektrifiziert, um den Rohstoff Kalk aus den Brüchen bei Rübeland in größeren Mengen abtransportieren zu können. Eine Elektrifizierung mit den in Deutschland sonst üblichen 15 kV mit  Hz schied aus, da in der DDR zu dieser Zeit noch keine entsprechenden Frequenzumformer zur Verfügung standen und die Errichtung eines Bahnkraftwerkes extra für diese Strecke keine Option war. Da zum Zeitpunkt der Entscheidung über die Elektrifizierung klar war, dass die Strecke für Jahrzehnte ein Inselbetrieb ohne Verbindung mit dem übrigen elektrifizierten Streckennetz bleiben würde, suchte man nach Alternativen für die Fahrleitungsspannung. Erwogen wurde zuerst die Anwendung von Gleichspannung von 2,4 kV. Die Fahrzeugindustrie wäre zwar in der Lage gewesen, aus dem Bergbauprogramm Lokomotiven mit der geforderten Leistung zu liefern, jedoch wäre der zur Übertragung der erforderlichen elektrischen Leistung notwendige Querschnitt der Fahrleitung unvertretbar groß geworden. Deshalb entschied man sich für Einphasenwechselstrom mit einer Spannung von 25 kV und einer Frequenz von 50 Hz, der im Unterwerk an der Ausfahrt von Blankenburg mit Hilfe von Transformatoren aus dem 110-kV-Stromnetz der Landesversorgung entnommen wurde. Der für den Fahrleitungsbau nicht profilfreie Bielsteintunnel wurde im Zuge der Elektrifizierungsarbeiten verfüllt und die Strecke im Bereich des ehemaligen Bahnhofes Braunesumpf auf einen hohen Damm verlegt. Für die Fahrleitung konnten die ohnehin gegen 25 kV isolierten DR-Regelfahrleitungsbauarten mit nur geringen Anpassungen verwendet werden, zum zusätzlichen Schutz vor Überschlägen im Bereich der Kalkwerke jedoch mit verdoppelten Isolatoren. Wegen der vergleichsweise geringen Streckengeschwindigkeit wurde die Fahrleitungsbauart Re 75 mit Seitenhaltern ohne Stützrohr errichtet. Am 1. August 1966 wurde der elektrische Betrieb aufgenommen und seitdem kamen auf der Rübelandbahn die für diese Strecke konstruierten Lokomotiven der Baureihe E 251 zum Einsatz. Der Abschnitt Königshütte–Tanne wurde nicht in die Elektrifizierung einbezogen und mit Eröffnung des elektrischen Betriebes stillgelegt. Grund war ein damals geplantes, aber nie verwirklichtes Talsperren-Projekt. Die Zweigstrecke Wechsel–Drei Annen Hohne, die einen Anschluss an die Harzquerbahn bot, wurde ebenfalls nicht elektrifiziert und in der Folge abgebaut, jedoch offiziell nicht stillgelegt. Der Bahnhof Elbingerode West wurde in Elbingerode umbenannt, der ehemalige Bahnhof Elbingerode Hbf, der am Stadtrand lag und für den Reiseverkehr bedeutungslos war, wurde geschlossen und zu einer Anschlussstelle für den Wagenladungsverkehr. Fast alle Bahnhöfe erhielten Gleisbildstellwerke der Bauform GS II DR, in Hüttenrode wurden zwei mechanische Stellwerke der Bauform Einheit mit Lichtsignalen gebaut. Zwischen Blankenburg und Elbingerode wurde Streckenblock in Form von Relaisblock eingerichtet, auf dem Reststreckenabschnitt Elbingerode–Königshütte richtete man vereinfachten Nebenbahndienst ein. Die Streckengeschwindigkeit wurde auf 50 km/h angehoben, nur zwischen Elbingerode und Königshütte blieb es bei 30 km/h. Die Anschlussstrecke Halberstadt–Blankenburg wurde sicherungstechnisch ebenso ausgerüstet. Zur Umgehung des Kopfbahnhofes Blankenburg entstand der Bahnhof Blankenburg Nord. Hier wurden die Güterzüge ohne Fahrtrichtungswechsel umgespannt. Die Grenzlast für Güterzüge liegt bei 600 Tonnen berg- und 1500 Tonnen talwärts, sie werden mit jeweils einer Zug- und einer Schiebelokomotive bespannt, wodurch das Umsetzen beim Fahrtrichtungswechsel im Bahnhof Michaelstein entfällt.