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).

Toen in 1917 de SS en de HSM gingen samenwerken (via de oprichting van de NS (Nederlandse Spoorwegen)) verdween langzamerhand de concurrentie. Vanaf 1938/1939 werd de exploitatie en eigendom van deze lijn overgenomen door de NS.

In 1939 werd het personenvervoer op de lijn gestaakt.

In 1940 werd de spoorlijn geëlektrificeerd met 1500 V gelijkstroom. Deze elektrificatie werd voltooid op 2 april 1940.

Vanwege de spoorwegstaking in 1944, tijdens de Tweede Wereldoorlog, werd ook het goederenvervoer op deze lijn gestopt. De lijn was hierdoor buiten gebruik (gesloten).

Na het einde van de Tweede Wereldoorlog werd de lijn opnieuw weer in gebruik genomen. In 1950 werd het goederenvervoer hervat en in 1952 ook het pewrsonenvervoer.

In 1981 werd de Schiphollijn geopend, waardoor de verbinding Amsterdam - Rotterdam via Den Haag korter werd. Sindsdien is de spoorlijn Harmelen - Breukelen niet meer van grote belang voor het personenvervoer. Omdat de Schiphollijn niet door goederentreinen mag worden bereden is de verbinding Amsterdam - Rotterdam via Harmelen voor goederentreinen nog steeds korter dan via Den Haag, zodat de lijn Harmelen - Breukelen nog steeds belangrijk is voor het goederenvervoer.

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

Momenteel is de spoorlijn nog steeds een belangrijke verbinding voor met name het goederenvervoer.