Mit dem Bau wurde 1923 begonnen, um eine Verbindung für den Güterverkehr von der Bergenbahn hinunter zum Sognefjord zu schaffen, der ganzjährig durch Schiffe befahren werden kann. Von den 20 Tunneln der Strecke wurden 18 in Handarbeit vorgetrieben, sodass pro Meter Tunnel ein Monat Arbeit benötigt wurde. Im Herbst 1936 – nach 13 Jahren – waren die Bauarbeiten soweit fortgeschritten, dass die Gleise verlegt werden konnten. Am 1. August 1940 wurde die Strecke mit Güterzügen, die von Dampflokomotiven gezogen wurden, in Betrieb genommen. Planmäßiger Personenverkehr begann am 10. Februar 1941. Die Elektrifizierung erfolgte erst 1944.

In den 1950er und 1960er Jahren war die Strecke, wie andere Nebenstrecken in Norwegen, von Stilllegung bedroht. Da aber der – touristisch generierte – Personenverkehr stetig zunahm, wurde davon abgesehen. Die neugegründete Gesellschaft Flåm Utvikling AS übernahm 1998 das gesamte Marketing der Flåmsbana. Im Jahre 2013 konnte mit 718.195 Fahrgästen ein neuer Besucherrekord aufgestellt werden (2005: 475.033 Fahrgäste): Die Flåmsbana ist damit eine der meistbesuchten Touristenattraktionen Norwegens.