Cette ligne a été déclarée d'utilité publique par un décret du [1]. Elle a été concédée à la Compagnie des chemins de fer de l'Est par une convention signée le entre le ministre des Travaux Publics et la compagnie. Cette convention est approuvée par décret impérial le [2].
Elle a été mise en service le [3] par la même compagnie.
Le , la ligne est fermée aux voyageurs. Elle est toutefois rouverte du au et du au et reste ouverte au service des marchandises. Elle est réduite à une voie unique en 1942.
Didier Leroy : Le temps des omnibus : Châtillon-sur-Seine - Gray - Rambervillers, Breil-sur-Roya, Éditions Du Cabri, 2005 (ISBN2-914603-12-6)
Claude Garino, La ligne de chemin de fer de Nuits-sous-Ravières à Châtillon-sur-Seine, Association pour la sauvegarde et l'animation du château de Jully, 2014