A finals del segle xix sorgeix la necessitat de millorar l'accés al Monestir de Montserrat, a causa de l'increment constant de visitants.

L'enginyer Joaquim Carrera i l'empresari Josep M. Gonzalez són els impulsors de la idea de fer un tren cremallera que unís Monistrol de Montserrat (on s'ubicava la línia Barcelona-Manresa d'ample ibèric de la companyia Ferrocarrils del Nord) amb el Monestir.

El 1880 es presenta el projecte al Senat i 1 any més tard hi dona el vistiplau. Mesos més tard es constitueix la societat Ferrocarrils de Muntanya de Grans Pendents.

La societat refà el projecte amb un traçat més curt, ample de via mètric i sistema Abt el 1890; i el presenta al govern, que li donarà llum verda el 1891.

Al setembre se n'inicia la construcció i, 13 mesos més tard, el 6 d'octubre de 1892 el cremallera de Montserrat entra en servei.

El 1905 la línia s'allarga finalment fins a l'estació de Monistrol Nord per enllaçar amb la dels Ferrocarrils del Nord corresponent a la línia Barcelona-Manresa-Lleida, tal com estava previst al projecte inicial.

Durant el principi d'aquell segle es duen a terme millores a les estacions i s'incrementa la capacitat de la línia amb el perllongament de la doble via al mig del traçat i l'ampliació d'andanes, que permeten la utilització de més trens.

El 1922 la Companyia de Ferrocarrils Catalans posa en servei la línia Martorell-Manresa i crea una estació de correspondència amb el cremallera.

La inauguració de l'Aeri de Montserrat i la millora del transport per carretera incrementen la competència per accedir al Monestir als anys 30.

Durant la Guerra Civil el cremallera es fa servir per traslladar ferits a l'hospital militar que es va situar al Monestir i la línia va tancar als passatgers. Els següents anys de postguerra suposen dificultats econòmiques i una paralització de les inversions de millora i renovació de la línia. Tot i així, durant els anys 40 s'aconsegueix la xifra més gran de passatgers al cremallera.

El 1953 es produeix un greu accident on un comboi que pujava cap al Monestir va iniciar un moviment descendent i va arrossegar-ne un altre que ascendia també en sentit contrari descendent, tot provocant una col·lisió uns centenars de metres més avall amb un tercer tren. El resultat van ser 8 morts i més de 160 ferits, una dotzena de greus.

L'accident va suposar una creixent desconfiança cap a la utilització del cremallera per accedir al Monestir, fet que va fer agreujar els problemes econòmics de la companyia ferroviària i feia inviable les fortes inversions necessàries en infraestructura i en trens per garantir un bon servei que s'havien anat posposant durant les 3 darreres dècades. El creixent deteriorament de la línia tant d'infraestructura com de trens acaben suposant el tancament del cremallera el 12 de maig de 1957.

El 1999 es presenta un projecte per a la recuperació del cremallera de Montserrat, per fer front a la creixent congestió en els accessos viaris a la muntanya.

FGC es fa càrrec de la redacció del projecte i de l'explotació de la línia. Es recupera la pràctica totalitat de l'antic traçat entre el Monestir i Monistrol-Vila, amb només petites modificacions com l'elevació en petits trams per eliminar els antics passos a nivell de la línia. Entre Monistrol-Vila i Monistrol-Enllaç es duu a terme un nou traçat, mitjançant un nou pont de 480 metres de llargària. L'antiga part entre Monistrol-Enllaç i l'estació de Castellbell i el Vilar es desestima.

El juliol del 2001 s'inicien les obres, el novembre del 2002 es col·loquen els primers rails i el març de l'any següent s'hi inicien les proves amb vehicles. L'11 de juny de 2003 s'obre al públic, 46 anys després de l'últim servei.