Esta línea nació fruto de la idea de los gobiernos españoles de mediados de siglo XIX de conectar el este y el oeste español. Aparecieron varios proyectos. Valladolid – Calatayud, Medina del Campo – Calatayud, Palencia – Calatayud, y el que nos ocupa, Valladolid – Ariza.

Muchos avatares sufrió la línea, incluso antes de estar construida. La autorización para realizar los estudios previos, se concedió el 14 de diciembre de 1863 a Don Antonio Marques. El primer proyecto, se presenta en 1866. A su vez, se presentaron otras solicitudes de concesiones para líneas similares, lo que retraso la concesión de la línea hasta 1882 al propio D. Antonio Marques.

En 1883 se presento una modificación del proyecto, debida entre otras cosas, a la construcción del Canal del Duero, que obligaba según el antiguo proyecto a más puentes que encarecían la obra. Al año siguiente, 1884, D. Antonio Marques, trasfirió la concesión a la Compañía del Ferrocarril del Duero, creada por el mismo el año anterior.

Sobreviene entonces en España una época de penuria, lo que obliga a solicitar prorrogas a la concesión al no haberse iniciado las obras, para evitar su caducidad. Ante la imposibilidad de la Compañía de hacer frente a las obras, vende la concesión al consorcio promotor de la Compañía del Norte. Aquí es cuando entran en juego las dos grandes compañías ferroviarias de la época. Norte y M.Z.A. (Compañía de los Ferrocarriles de Madrid a Zaragoza y a Alicante).

Desde la fecha de compra por Norte, 1890, hasta la apertura definitiva de la línea, en 1895, tanto Norte como M.Z.A. negociaron de manera conjunta la compra de otras líneas para así extender sus redes. Como fin a aquellas negociaciones y contratos, Norte, que ya tenía la línea en construcción, se vio obligada a transferirla a M.Z.A.

El 1 de enero de 1895 se inaugura la obra si bien es cierto que, durante los primeros años, se mantuvieron obras de consolidación y remate de las instalaciones. Su parte en ingresos e inversiones nunca fue proporcional a la red de M.Z.A. por lo que ya entonces era línea secundaria.