De spoorlijn werd door de Staat der Nederlanden aangelegd en is in twee delen geopend. Het eerste deel, dat tussen Leeuwarden en Sneek ligt, werd op 16 juni 1883 geopend. Het tweede deel, dat tussen Sneek en Stavoren ligt, werd geopend op 8 november 1885. Met de opening van het tweede deel was de gehele lijn voltooid. De lijn werd vanaf het begin (de opening van het eerste deel) geëxploiteerd door de SS (Maatschappij tot Exploitatie van de Staatspoorwegen).

Tussen Stavoren (eindpunt van deze lijn) en Enkhuizen (eindpunt van de lijn Zaandam - Enkhuizen) werd op 15 juli 1866 een veerdienst geopend, welke vanaf 1889 onder de Raad van Toezicht viel.

Bij de herverdeling van het Nederlandse spoorwegnet in 1890 werd de exploitatie van de spoorlijn Leeuwarden - Stavoren toegewezen aan de HSM (Hollandse (IJzeren) Spoorwegmaatschappij). Hierdoor kreeg de HSM tezamen met de veerdienst een eigen verbinding tussen Amsterdam en Leeuwarden. Deze veerdienst bracht tot 1936 ook goederenwagens over.

Na 1917, toen de N.V. Nederlandse Spoorwegen werd opgericht, verviel de concurrentieaspect van de verbinding doordat reizen met elektrische treinen via Zwolle sneller was geworden dan via de veerdienst. De veerdienst bleef tot 1963 in handen van de spoorwegen, uitgevoerd door andere particuliere maatschappijen. Tot op heden is de passagiersdienst nog steeds in exploitatie, maar alleen in de zomermaanden en vooral voor het toerisme.

Vanaf 1939 werd de exploitatie overgenomen door de NS (Nederlandse Spoorwegen). In 1999 werd de exploitatie overgedragen aan NoordNed - de NS was mede eigenaar van dit bedrijf -. NoordNed kwam in 2003 volledig in bezit van Arriva. In 2005 kreeg Arriva de concessie (voor 15 jaar) voor deze lijnen en verdween de naam NoordNed definitief.

De spoorlijn is niet geëlektrificeerd en wordt daarom geëxploiteerd met dieselmaterieel.