De spoorlijn werd door de HSM (Hollandse (IJzeren) Spoorwegmaatschappij) aangelegd en is in zijn geheel geopend op 1 mei 1867. De lijn werd vanaf het begin ook door de HSM geexploiteerd.

In .... werd het Noordzeekanaal aangelegd, waardoor de situatie bij Velsen moest worden gewijzigd en er een brug over dit kanaal, de Velserbrug, moest worden gebouwd. Nabij Velsen ontstond de plaats IJmuiden. Tussen Velsen en IJmuiden werd een zijlijn aangelegd, welke op 1 november 1883 werd geopend.

In 1939 werd de exploitatie en het eigendom van de lijn overgenomen door de NS (Nederlandse Spoorwegen), die de lijn nog steeds exploiteert.

In 1957 werd de Velsertunnel geopend. Het tracé van en naar de Velsertunnel , het Velsertunneltracé, verliep vanaf Santpoort Noord en vanaf Beverwijk. Door de opening van de Velsertunnel kon de Velserbrug worden gesloopt. Het tracé van de Velserbrug, tussen Velsen - IJmuiden Oost en Velsen Hoogovens, werd gesloten op 29 september 1957. Na de sluiting en de sloop van de Velserbrug werd de lijn Santpoort Noord - Velsen-IJmuiden Oost als een zijlijn beschouwd. De lijn Velsen-IJmuiden Oost - IJmuiden was al een zijlijn en zo ontstond de lijn Santpoort Noord - IJmuiden. Het tracé Velsen Hoogovens - Beverwijk wordt sinds 1957 beschouwd als aansluitspoor naar de emplacementen van de Hoogovens (nu Corus).

Hoewel de exploitatie van rest van de lijn tussen Haarlem en Uitgeest voorspoedig verliep ging dat niet op voor het tracé tussen Santpoort Noord en Velsen-IJmuiden Oost. Het personenvervoer werd op 25 september 1983 gestaakt. Het goederenvervoer ging nog door, maar ook dat werd in oktober 1994 gestopt. Ook werd in 1984 de bovenleiding verwijderd en in de zomer van 1989 het tweede spoor verwijderd. Tussen 1996 en 1999 probeerde spoorwegmaatschappij LoversRail de lijn te exploiteren als verbinding tussen Amsterdam en het strand van IJmuiden, maar zonder succes.

De spoorlijn Haarlem - Uitgeest is nog steeds in gebruik. Er rijden momenteel alleen stoptreinen in een halfuurdienst. Tussen Santpoort Noord en Beverwijk rijden de treinen via de Velsertunneltracé. Goederentreinen naar de Hoogovens kunnen niet door de Velsertunnel en rijden alleen via Uitgeest.