De lijn werd in breedspoor (1945 mm) aangelegd, net als de andere lijn van de NRS tussen Amsterdam en Arnhem. In 1855 werd de gehele lijn omgebouwd tot normaalspoor (1435 mm) net als de rest van de lijnen van de NRS om aan te kunnen sluiten op het Duitse spoor, dat met de spoorlijn Arnhem – Emmerich mogelijk werd.

In 1869 werd de lijn Harmelen - Breukelen in gebruik genomen, waarmee een kortere verbinding tussen Amsterdam en Rotterdam mogelijk werd (korter dan de lijn Amsterdam - Den Haag - Rotterdam).

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).

Op 1 mei 1899 werd een spoorlijn geopend tussen Rotterdam Maas en Rotterdam Delftse Poort (toen van de HSM (Hollandse (IJzeren) Spoorwegmaatschappij)). Deze lijn wordt ook de Ceintuurbaan genoemd.

In 1938 werd de spoorlijn in een keer geëlektrificeerd met 1500 V gelijkstroom. Vanaf 1938/1939 werd de exploitatie en eigendom van deze lijn overgenomen door de NS (Nederlandse Spoorwegen).

In de Tweede Wereldoorlog werd bij het bombardement van de stad Rotterdam ook station Rotterdam Maas zwaar getroffen. Na de oorlog werd dat station niet meer in originele staat hersteld.

De aanleg van de Ceintuurbaan zorgde voor plannen voor een kortere verbinding naar station Rotterdam Delftse Poort. Later werden deze plannen doorgezet en in 1942, tijdens de Tweede Wereldoorlog, werd begonnen me de aanleg van de verbinding Rotterdam Noord Goederen - Nieuwerkerk aansluiting, dat op 4 oktober 1953 werd geopend. Dit betekende de doodsteek voor station Rotterdam Maas en tegelijkertijd met de opening van de nieuwe verbinding werden alle verbindingen naar station Rotterdam Maas, waaronder het tracégedeelte Nieuwerkerk aansluiting - Rotterdam Maas en inclusief het station zelf, gesloten, waarna de gesloten delen werden opgebroken.

Tussen 1995 (?) en 2006 werd het tracé tussen Woerden en Harmelen verdubbeld. In 2007 werd begonnen met de spoorverdubbeling van het tracé tussen Harmelen en Utrecht, waarbij nieuwe stations (haltes) zullen worden (en zijn) toegevoegd.

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

Momenteel is de spoorlijn nog steeds een belangrijke verbinding voor zowel personen- als goederenvervoer. De verbinding Utrecht - Rotterdam loopt nog steeds via de in 1953 geopende spoorlijn tussen Nieuwerkerk en Rotterdam Noord.