Cette ligne a vu son premier train circuler le 20 octobre 1881. La Sociedad de los Ferrocarriles de Madrid a Cáceres y a Portugal, M.C.P, qui venait d'acquérir la Sociedad de los Ferrocarriles de Cáceres a Malpartida de Plasencia y a la frontera portuguesa, mit en service les tronçons allant de La Bazagona à Malpartida de Plasencia et de cette gare à Plasencia-Empalme. Il s'agissait de tronçons contigus mais qui relevaient, juridiquement parlant, de deux concessions différentes. Les deux correspondaient à cette ligne principale du réseau ferroviaire ibérique qui allait de Madrid jusqu'aux environs de Cáceres (gare d'Arroyo-Malpartida), où elle se raccorderait à cette autre première ligne qui reliait Cáceres à Lisbonne.

En 1895, M.C.P. fusionna avec Oeste pour créer la Compañía de Explotación de los Ferrocarriles de Madrid a Cáceres y Portugal y del Oeste de España, une entreprise qui, en 1928, fut rachetée par l'État en raison de ses mauvais résultats. L'occasion était propice pour abréger le nom en Compañía de los Ferrocarriles del Oeste de España ou encore Oeste pour les intimes. Comme toutes les autres voies à grand écartement, elle fut intégrée en 1941 à Renfe, la société nationale espagnole nouvellement créée.

Toutes sortes de trains passaient par là, luxueux et internationaux, comme le Lusitania ou le Surexprexo, mais aussi de modestes trains postaux et marchands. Et tous, après avoir franchi le gracieux viaduc sur le Tiétar à La Bazagona, affrontaient une route sinueuse qui ondulait sur les collines couvertes de pâturages et de yeuses. Les trains arrivaient à la gare de Plasencia-Empalme (plus tard appelée Palazuelo et aujourd'hui Monfragüe). Le nom Empalme (jonction en espagnol) est dû au fait que c'est là que les trains rejoignaient la Ruta de la Plata, cette longue voie ferrée qui traversait toute la péninsule occidentale jusqu'à Astorga, et qui, hélas, a été fermée dans les années 1990.

Le 15 novembre 1990, une voie de dédoublement a été ouverte pour supprimer plusieurs virages, permettant ainsi aux trains de ne pas avoir à freiner et, en sus, de raccourcir de 1 300 m le trajet. C'est une partie de cette voie délaissée qu’emprunte la voie verte. De plus, une troisième voie, beaucoup plus rapide, sera bientôt mise en service : la ligne de TGV reliant Madrid à l'Estrémadure.