La línea, cuya construcción se alargó durante casi de dos décadas, fue abierta en su totalidad en 1883.
Históricamente el trazado constituyó la única conexión ferroviaria entre Galicia y la Meseta Central, si bien desde 1957 coexiste con la línea Zamora-La Coruña.
[4] No obstante, las dificultades orográficas de la zona y los problemas financieros dieron al traste con el proyecto.
La inauguración oficial de todo el trazado, acontecida unos días antes, contó con la asistencia del rey Alfonso XII.
Esto significó que la línea Palencia-La Coruña se integrara en la red de «Norte».
[5][6] Tras la inauguración de la línea entrarían en servicio otros importantes trazados ferroviarios que conectaban con la misma.
En enero de 1944 tuvo lugar un grave accidente ferroviario junto a la estación de Torre del Bierzo,[8] cuando un expreso-correo que hacía el servicio Madrid-La Coruña chocó contra otro tren en el interior del túnel número 20.
Poco después un tercer convoy impactó contra los trenes accidentados, desatándose un incendio en el interior del túnel.