Er waren al eerder plannen voor een lijn dat vanaf Amersfoort via Veenendaal naar Wageningen zou verlopen, maar om defensieve redenen zijn de plannen gewijzigd en moest de lijn via Rhenen over rivier de Rijn en op de Merwe- en Waalspoorweg (ook bekend als de Betuwelijn) aansluiten. De lijn was al in 1884 gereed, maar de exploitant was toen nog niet vastgesteld. Zowel de SS (Maatschappij tot Exploitatie van de Staatsspoorwegen) als de HSM (Hollandse (IJzeren) Spoorwegmaatschappij) hadden interesse. Uiteindelijk werd de exploitatie toegewezen aan de HSM. De opening verliep niet vlekkeloos, omdat de NCS (Nederlandse Centraal-Spoorweg-Maatschappij) eerst niet wilde dat haar spoorlijn (Utrecht - Zwolle) bij Amersfoort werd gekruist, dat nodig was om de lijn Kesteren -Amersfoort met de Oosterspoorweg (Amsterdam - Zutphen) te verbinden. Later werd de kruising alsnog aangelegd. Tussen Kesteren en Nijmegen moest de HSM hulp hebben van de SS om de trein tussen die twee steden te brengen. Vanaf 1890 hoefde dat niet meer toen de Nederlandse regering het spoornet herverdeelde en de HSM ook de Merwe- en Waalspoorweg ging exploiteren.

Na 1917, toen de belangengemeenschap tussen de SS en de HSM werd opgericht waarmee een einde aan de concurrentie kwam, kwamen er ook doorgaande stop- en sneltreinen tussen Amsterdam / Amersfoort en Maastricht / Heerlen over deze lijn. Ook D-treinen naar Basel hebben toen over de lijn gereden.

In 1940 kwam er een einde aan de doorgaande treinen. In de Tweede Wereldoorlog werd de spoorbrug over de Rijn bij Rhenen twee maal opgeblazen. De eerste maal op 13 mei 1940 door de Nederlandse artillerie, waarna de brug provisorisch werd hersteld. De tweede maal in 1944 door de Duitsers (NAZI), maar is daarna niet meer hersteld. Op de pijlers hiervan werd in 1957 een verkeersbrug gebouwd.

Na de oorlog werd het reizigersvervoer niet hervat en bleef de lijn in gebruik voor goederenvervoer. Station Kesteren, dat niet meer per spoor vanaf Rhenen te bereiken was, werd tussen 1944 en 1981 hernoemd tot Kesteren-Rhenen. Ook werd dit station minder belangrijk en is het momenteel een halte. Het goederenvervoer verdween op 28 mei 1972 tussen Woudenberg-Scherpenzeel en Rhenen en in 1988 tussen Woudenberg-Scherpenzeel en Leusden PON. Tussen aansluiting De Haar en Leusden PON is de lijn gesloopt. De lijn tussen Amsersfoort en Leusden PON wordt ook de Ponlijn genoemd.

In 1981 werd de lijn tussen aansluiting De Haar en Rhenen, dat nu de Veenendaallijn word genoemd, het reizigersvervoer hervat. Dit gedeelte werd hiervoor geëlektrificeerd. Momenteel wordt de Veenendaallijn opgenomen in Randstadspoor.