A la història de la línia de Barcelona a Portbou es poden observar clarament tres etapes: el primer tram obert al públic entre Barcelona i Granollers, la prolongació fins a Girona i, finalment, la connexió amb França, a la frontera de Portbou.[1]
El 1854 s'inaugurava el ferrocarril de Barcelona a Granollers, la tercera línia ferroviària de Catalunya, i molt aviat se'n decidí la prolongació vers al nord i la frontera. El 1860 entrà en servei l'ampliació fins a Maçanet de la Selva. Poc després, la línia de l'interior ja enllaçava amb la línia de la Costa (que arribà a Maçanet el 1861). Les dues empreses es van fusionar sota el nom de Camins de Ferro de Barcelona a Girona i la línia va arribar a Girona el 1862.[1]
El 1875 es va fundar la Companyia dels Ferrocarrils de Tarragona a Barcelona i França, i tot seguit es varen reprendre les obres de la prolongació cap a França. Al final de 1877 ja s'arribava a Figueres i a principis del 1878 a Portbou i Cervera de la Marenda. Els trens provinents de Barcelona ja podien connectar amb els ferrocarrils francesos del Midi. Es trencava definitivament l'aïllament de Catalunya respecte de la resta d'Europa.[1]
A partir dels anys 50 la línia va ser progressivament modernitzada, primer amb l'electrificació fins a Girona (1958), que posteriorment s'ampliaria fins a Portbou (1964), i també amb nous sistemes de senyalització i seguretat. El 1977 es completà la instal·lació de la doble via a tot el traçat.[1]