De spoorlijn werd door de SS (Maatschappij tot Exploitatie van de Staatsspoorwegen) geexploiateerd. De SS was speciaal voor de exploitatie van de staatsspoorwegen in 1863 opgericht. In 1917 ging de SS samenwerken met de HSM (Hollandse IJzeren Spoorweg-Maatschappij). In 1938 werd de exploitatie overgenomen door de NS (Nederlandse Spoorwegen), die de lijn nog steeds exploiteert. In het begin reden er directe treinen tussen Arnhem en Leeuwarden. Tegenwoordig wordt de lijn in twee delen geëxploiteerd:  tussen Arnhem en Zwolle en tussen Zwolle en Leeuwarden.

De spoorlijn sluit bij Arnhem aan op de spoorlijn Amsterdam - Utrecht - Arnhem. Deze spoorlijn was in het bezit van de NRS (Nederlandse Rhijnspoorweg-Maatschappij), dus ook station Arnhem. Toch werd besloten dat de SS hiervan mede mocht gebruiken, waarvoor het station wel moest worden aangepast. Bij Zwolle ging dat anders. Hier werd besloten een eigen station voor de SS te bouwen in plaats van gebruik te maken van het station van de NCS (Nederlandse Centraal-Spoorweg-Maatschappij). Het oude station van Zwolle van de NCS werd later gesloten en afgebroken.

De lijn Arnhem - Leeuwarden is, op het tracédeel Deventer - Olst na, geheel dubbelsporig. Ook is de lijn in zijn geheel, maar niet gelijktijdig, geëlektrificeerd, waarbij bij de elektrificatie van het tracédeel Deventer - Olst er op de aanleg van een tweede spoor is voorbereid. De elektrificatie tussen Zwolle en Leeuwarden werd voltooid op 17 mei 1952. De elektrificatie tussen Arnhem en Zwolle werd voltooid op 15 mei 1953.