El proyecto se concedió en 1908, mediante concurso, a los ingenieros Don Ramón de Aguinaga Arrechea, Director de la construcción del Canal Isabel II, y su hijo Don José de Aguinaga y Keller, y finalmente se aprobó en 1912. Su trayecto incluía Cidad Dosante-Busnela-Bustavernales-San Pedro del Romeral-Vega de Pas-Bárcena de Toranzo-Ontaneda. Durante el transcurso de la I Guerra Mundial en 1914-1918, se paralizó todo intento de obra. Tras la contienda, con la demostración de la importancia militar del ferrocarril en la Gran Guerra, el antiguo plan de vía estrecha se modificó por el de ancha a petición del Ministerio de Guerra, querían asegurarse la posibilidad de un trasporte mucho más pesado. Esta decisión afectaría al tramo El Astillero-Ontaneda, era de vía estrecha y su ampliación resultaría muy costosa. La intención del Ministerio era dar apoyo terrestre a la importante base aeronaval de Santander, la cual se encontraba inserta en un proyecto de construcción que nunca se llevaría a cabo.

La modificación de la línea terminó en 1921 y se aprobó en julio de 1924, otorgando la concesión a las Diputaciones de las provincias atravesadas, quienes la trasfirieron poco después a The Anglo-Spanish G. Lid, predecesora del F.C.S.M. (Compañía de Ferrocarril Santander-Mediterráneo), de capital y dirección británica (Kennet M. Dobeson), hasta que el 1 de febrero 1941 se integraría en la Red Nacional de Ferrocarriles Españoles, RENFE. Los trabajos se dividieron en dos fases de construcción, Calatayud-Cidad Dosante, Santelices-Boo, comenzando la primera en 1925 y llevándose a cabo con relativa facilidad y rapidez, consiguiendo inaugurar los seis tramos entre agosto de 1927 y noviembre de 1930, fecha en la que ya se habían concluido los 360 Km. de la fase, pero a partir de Cidad Dosante, las cosas se complicarían debido a la accidentada divisoria Santander-Burgos, en la que se deberían realizar un gran esfuerzo en infraestructura y tecnología, ya que el recorrido implicaba la construcción de varios túneles y viaductos. Sin embargo los resultados económicos no fueron los esperados para la compañía británica, generando dificultades para continuar con los trabajos.