De lijn werd in breedspoor (1945 mm) aangelegd. In 1855 werd de gehele lijn omgebouwd tot normaalspoor (1435 mm) om aan te kunnen sluiten op het Duitse spoor, dat met behulp van de verlengende spoorlijn Arnhem – Emmerich mogelijk werd.

In 1890 werden de lijnen van de NRS door de Staat der Nederlanden overgenomen, waardoor de NRS moest worden opgeheven. De exploitatie van o.a. deze lijn ging over naar de SS (Maatschappij tot Exploitatie van de Staatsspoorwegen).

Met behulp van een verbindingsbaan werd de spoorlijn bij Amsterdam verbonden met het in 1889 geopende station Amsterdam Centraal. Hierdoor werd het Weesperpoortstation minder belangrijk.

In 1938 werd de spoorlijn geëlektrificeerd met 1500 V gelijkstroom. Vanaf 1938/1939 werd de exploitatie en eigendom van deze lijn overgenomen door de NS (Nederlandse Spoorwegen).

Met de opening van het Amstelstation (Amsterdam Amstel) in 1939 werd het Weesperpoortstation overbodig. Het Weesperpoortstation werd op 15 oktober 1939 gesloten.

In 1976 werd een hooggelegen spoorbaan tussen Amsterdam Amstel en Abcoude geopend, met station Duivendrecht op het punt waar de spoorlijn de lijn Weesp – Leiden kruist. Ook de metrolijn die tussen Amsterdam Amstel en Amsterdam Holendrecht tussen de sporen ligt is in 1977 in gebruik genomen..

In 1999 begon men het verbreden van het tracé tussen Amsterdam Bijlmer en Utrecht naar vier sporen, met een aquaduct bij Abcoude. Op 25 april 2007 was deze verbreding gereed.

In 2003 ging het beheer en eigendom van de lijn over naar ProRail.

Momenteel is de spoorlijn nog steeds een zeer belangrijke verbinding voor zowel personen- als goederenvervoer.