El trazado comunica Medina del Campo con la localidad portuguesa fronteriza de Vilar Formoso, pasando por Salamanca y Ciudad Rodrigo.
En la actualidad constituye una de las tres líneas férreas que enlazan España y Portugal.
Uno de sus más ardientes defensores fue el político e intelectual salmantino Tomás Rodríguez Pinilla.
El tramo Medina del Campo-Cantalapiedra fue completado en 1875, mientras que las secciones Cantalapiedra-El Pedroso y El Pedroso-Salamanca lo serían en 1877.
[7] Esta empresa fue constituida en Madrid el 8 de enero de 1885 y contaba con una subvención del Gobierno español, pero había sido fundada exclusivamente con capital social portugués, ya que los portugueses eran los principales interesados en conectar Oporto con Europa —pues la red ferroviaria española crecía a espaldas de Portugal—.
En 1927 las compañías que gestionaban las líneas Medina-Salamanca y Salamanca-Frontera portuguesa fueron intervenidas por el Estado, tras lo cual los trazados pasaron a integrarse en la recién creada Compañía Nacional de los Ferrocarriles del Oeste junto a otras líneas férreas de la región.
Esto supuso que Salamanca perdiera su histórica conexión con la línea férrea del Duero y con Oporto.
lo que en algunos casos supuso eliminar tramos en curva y acortar las distancias.
En la estación de Salamanca tienen alimentación eléctrica las vías 1, 2, 3, 4, 12 (rodeo), 14 y 15 (bandeja lavado).
La usan principalmente los convoyes de mercancías que transitan entre España y Portugal.
En 2020, con la desaparición del Trenhotel Lusitania, la línea en el tramo Salamanca La Alamedilla - Vilar Formoso quedó exclusivamente para el tráfico de mercancías.