El éxito del primer ferrocarril de vía estrecha en Bizkaia, abierto al tráfico entre Bilbao y Durango en 1882, promovió nuevos proyectos para comunicar las principales poblaciones y comarcas con Bilbao.
Desde Gernika pronto se planteó la posibilidad de construir un tren que permitiese la conexión con la línea de Bilbao a Durango en Amorebieta. Los primeros estudios, encargados a Francisco Rispa y Zornoza, se remontan al 22 de marzo de 1882, pero no fue hasta febrero de 1885 cuando se autorizó la construcción, al arquitecto Luis de Landecho y Urries.
Las obras se desarrollaron a buen ritmo y el 13 de agosto de 1888 se inauguró, con la solemnidad acostumbrada, el nuevo ferrocarril. El éxito de la nueva vía animó a ampliar el trazado hacia Bermeo pero la conclusión de la misma no tuvo lugar hasta el 16 de agosto de 1955.
A lo largo de los años sesenta, las primeras locomotoras de vapor fueron reemplazadas por locomotoras y automotores diesel y, en 1973, se electrificó el servicio, lo que a la larga, garantizó su supervivencia.
Desde su transferencia, en 1979, al Gobierno Vasco, la línea ha sido sometida a un continuo proceso de modernización y mejora de la mano de las sociedades públicas Euskotren y ETS-RFV.