De spoorlijn werd aangelegd door de HSM (Hollandse (IJzeren) Spoorwegmaatschappij), die de lijn ook vanaf het begin exploiteerde. De lijn werd geopend op 10 juni 1874, tegelijkertijd met het tracé Amsterdam - Amersfoort van de spoorlijn Amsterdam - Zutphen. Met deze spoorlijn had de HSM een concurrerende verbinding tussen Amsterdam en Utrecht naast de spoorlijn Amsterdam - Utrecht - Arnhem van de NRS.

In 1904 werd bij Blauwkapel, waar de lijn kruist met de spoorlijn Utrecht - Zwolle, een verbindingsbaan geopend tussen aansluiting Blauwkapel Zuid en aansluiting Blauwkapel Oost. Dankzij deze verbinding konden en kunnen treinen rijden vanuit Den Dolder via Utrecht Maliebaan naar Bunnik of Houten en vice versa.

In 1921 werd bij Blauwkapel, waar de lijn kruist met de spoorlijn Utrecht - Zwolle, een verbindingsbaan geopend tussen aansluiting Blauwkapel Noord en aansluiting Blauwkapel West. Dankzij deze verbinding konden en kunnen treinen rijden vanuit Hilversum via Utrecht Overvecht naar station Utrecht Centraal en vice versa.

Vanaf 1939 werd de exploitatie overgenomen door de NS (Nederlandse Spoorwegen). Hierdoor werd het tracé tussen aansluiting Blauwkapel Noord en Lunetten, en dus ook station Utrecht Maliebaan (het Maliebaanstation), op 15 oktober 1939 gesloten voor personenvervoer. Sindsdien rijden er alleen nog maar goederentreinen op dit tracé. Het Maliebaanstation is momenteel in gebruik als het spoorwegmuseum.

In 1942 werd de spoorlijn geëlektrificeerd en in datzelfde jaar voltooid. Bij deze elektrificatie zijn betonnen  bovenleidingportalen toegepast. Deze portalen hebben een bijzondere vorm en worden ook gotische bogen genoemd.

Momenteel is de spoorlijn nog steeds in gebruik en wordt de lijn ook nog steeds door de NS geëxploiteerd.