Inizialmente a semplice binario, la ferrovia ha subito diversi interventi infrastrutturali che spesso ne hanno modificato il tracciato portando al raddoppio del binario per il 61 % del suo percorso, ovvero per circa 137 km, e a binario unico per i restanti 87 km[1].
Quasi vent'anni dopo l'apertura della tratta fino a Fiumetorto i lavori di costruzione della linea tirrenica sicula ripresero a cura della nuova concessionaria, la Società per le strade ferrate della Sicilia, che avviò i lavori nel primo tratto di linea costiera per Messina attivando, il 20 aprile 1887, i 23,72 km di linea ferrata fino a Cefalù; Fiumetorto divenne una stazione di diramazione dando così inizio all'attuale e più breve collegamento con Messina.
Il 16 giugno del 1895, con l'attivazione della tratta di 49 km tra Capo d'Orlando e Tusa, venne stabilito l'esercizio della intera linea con trazione a vapore come peraltro era avvenuto su tutta la rete siciliana. Da allora il tracciato ha subito pochi cambiamenti fin quasi alla fine del XX secolo.
La seconda guerra mondiale causò gravi danni alla linea in seguito all'avanzata degli Alleati verso Messina nel 1943; presto, tuttavia, vennero iniziati i lavori di ripristino e con l'avvento delle ALn 772 i treni rapidi della linea vennero velocizzati.
Tra il 1951 e il 1955 si ebbe l'elettrificazione della linea a cui fece seguito il raddoppio tra Palermo e Fiumetorto, tratto in comune con la linea per Agrigento e Catania, e il 15 ottobre 1955 la trazione sull'intera linea divenne elettrica a 3000 volt con corrente continua.
In seguito alla Legge 17/1981 del famoso "piano integrativo" ed in particolare al Decreto Ministeriale del 04/10/81 nº 1881 venne avviato l'iter progettuale per il raddoppio della tratta Messina–Patti.
Nel 1984, in seguito alla stipulazione della "Convenzione 90/84" sottoscritta tra il Raggruppamento Costanzo (impresa costruttrice) e le Ferrovie dello Stato, le FS affidarono i lavori di raddoppio del tronco "S. Filippo – Terme Vigliatore" e, successivamente, del tronco "Terme Vigliatore – Patti" al "Consorzio A.T.I." costituito dalle imprese Costanzo e I.R.A. Costruzioni Generali.
Nel 1986 iniziarono anche i lavori di scavo della nuova Galleria Peloritana, anch'essi nel progetto di raddoppio della linea, che avrebbero eliminato il difficoltoso valico dei Monti Peloritani, la cui pendenza era prossima al 30 per mille e obbligava alla doppia trazione o alla spinta in coda dei treni pesanti.
Tramite il Decreto nº 1238 del 23.10.87, pubblicato nella G.U.R.S. nº 3 del 16.01.1988., fu definitivamente approvato dall'Assessorato al Territorio e all'Ambiente il progetto di raddoppio del tronco Messina-Acquedolci con la scelta di mantenere in esercizio anche il vecchio tracciato storico tra Novara M.F. e Patti-San Piero Patti per il solo servizio locale; a tal scopo, venne realizzato un opportuno bivio tra il nuovo ed il vecchio tracciato realizzato nel territorio di Terme Vigliatore.
Nel 1988 vennero appaltati i lavori di raddoppio della "Galleria Madonna del Tindari" e successivamente, nel 1991, l'intero tronco "Terme Vigliatore – Patti".
I lavori per la realizzazione del nuovo tracciato "Bivio Terme Vigliatore - Patti-San Piero Patti", spostato più a monte rispetto al vecchio, procedettero molto lentamente in seguito a difficoltà tecniche nella realizzazione delle numerose gallerie (tra cui la più importante è la "Galleria Madonna del Tindari" di 4,651 km) per un totale di 8,8 km e nella realizzazione del bivio d'interscambio ed inoltre a causa di diversi scioperi degli operai delle imprese costruttrici. La "Galleria Madonna del Tindari" venne infatti completata soltanto il 4 dicembre 1998.
Ponte ferroviario sul torrente Cocuzzaro tra Spadafora e Venetico, appartenente alla linea dismessa il 9 agosto 2009.
Il 21 febbraio 2006 entrò in esercizio la nuova variante a doppio binario, "Bivio Terme Vigliatore - Patti-San Piero Patti" dopo una serie di proroghe sulla data prevista, slittata dal 2002 al 23 dicembre 2005 e successivamente al 2006, a causa del sequestro degli impianti operato dalla magistratura in seguito alla morte di un operaio folgorato mentre lavorava agli impianti elettrici presso la sottostazione elettrica di Patti.
Il 31 luglio 2009 venne attivata la fermata di Ficarazzi[5] e il 9 agosto dello stesso anno il binario dispari del nuovo percorso a doppio binario, di 8 km, tra Rometta Messinese e Pace del Mela con simultanea dismissione della tratta storica e delle stazioni di Roccavaldina - Scala - Torregrotta, Venetico e Spadafora-San Martino[6]. Per tale tratta dismessa sono state avanzate diverse ipotesi di conversione e riutilizzo come pista ciclabile e pedonale, come circorvallazione stradale dei centri abitati o come combinazione delle due proposte[7].
Il 14 dicembre 2009 con l'entrata in vigore del nuovo orario di Trenitalia, viene dismesso l'impianto di Terme Vigliatore, entrato in servizio soltanto nel 1991.
Nell’ambito dei lavori del raddoppio ferroviario Fiumetorto – Cefalù Ogliastrillo, il 17 settembre 2017 alle ore 04:00 venne attivata una variante di tracciato, inclusa la nuovissima galleria Monte Poggio Maria realizzata tra le stazioni di Lascari e Cefalù. Contestualmente furono eliminati ben 3 passaggi a livello ricadenti nella tratta storica dismessa tra Lascari e Contrada Ogliastrillo.[12]
Il 17 dicembre 2017 venne attivato il raddoppio del binario fra la stazione di Campofelice e il posto di passaggio Ogliastrillo.[13]
I lavori nella tratta Fiumetorto-Ogliastrillo, iniziati il 15 settembre 2008, sono terminati il 17 dicembre 2017, mentre i lavori della tratta Ogliastrillo-Castelbuono sono stati appaltati e affidati alla Toto Costruzioni S.p.A., in data 16 aprile 2012, ma per via via di una controversia tra il Comune di Cefalù ed RFI circa la realizzazione della fermata sotterranea di Cefalù, sono partiti a pieno ritmo il 18 aprile del 2019. L'opera costerà circa 400 milioni.
Con la ricostruzione in variante della ferrovia tra Fiumetorto e Castelbuono, la stazione di Cefalù verrà realizzata come fermata in sotterranea con collegamenti tecnologici di trasporto delle persone fino alla attuale piazza della stazione.[14][15], saranno eliminati sette passaggi a livello e realizzati 13 chilometri di strada ferrata.
Per i restanti lavori è stato completato lo studio di fattibilità per il raddoppio degli 86 km della tratta Patti-Castelbuono, ma i lavori non sono ancora partiti.
La ferrovia è gestita da RFI che la classifica come linea complementare[22]. Il tracciato, completamente elettrificato a corrente continua a 3000 volt, ha una lunghezza totale di 223,764 km (Palermo Centrale - Messina Centrale), in parte a binario unico ed in parte a doppio binario secondo il seguente schema[1]:
La linea si presenta piuttosto eterogenea nei valori di velocità massima consentita molto differenti da tratta a tratta[1]:
partendo da Messina, dal km 219 al km 164+905 (galleria Madonna del Tindari) la velocità in rango A è di 140 km/h; in rango B varia tra 150 e 160 e in rango C tra 155 e (solo in qualche tratto) 180 km/h;
scende a 135/145/150 km/h (rispettivamente rango A, B e C) fino al km 162+350, (tra la galleria Madonna del Tindari e Patti-San Piero Patti);
il tratto intermedio a binario unico tra il km 162+350 (Patti-S.P.P.) e il km 63+350 (P.P. Ogliastrillo) presenta velocità frequentemente variabili tra 75 e 100 km/h (rango A), tra 80 e 110 km/h (rango B) e tra 85 e 120 km/h (rango C).
la velocità di 140/155/160 km/h viene nuovamente raggiunta dal km 63+000 ma scende a 120/130/130 dal km 45+000;
Lungo la linea sono attivi i seguenti sistemi di sicurezza:
Sistema di controllo della marcia del treno (SCMT), che controlla la frenatura automatica del treno in caso di eccesso di velocità dei convogli o di ignoramento segnale di via impedita;
Sistema di Comando e Controllo (SCC), il traffico viene governato da un unico Posto centrale, ovvero da Palermo Centrale, che ha giurisdizione su tutta la linea, caratterizzata da importanti flussi di traffico sia merci, sia passeggeri e da elevate velocità di marcia dei treni;
Sistema di telecomunicazione mobile (GSM-R), consente sia le tradizionali comunicazioni voce e dati sia lo scambio di informazioni tra i sistemi tecnologici di segnalamento e controllo della circolazione più avanzati.
