Esta línea forma parte de la red de vía estrecha iniciada en los últimos años del siglo XIX y comienzos del XX, con el carácter de complementaria de la red principal, en este caso para unir dos grandes puertos e importantes centros de producción. La sociedad explotadora se constituye en Bilbao el día 21 de julio de 1894, con un capital de diez millones de pesetas dividido en acciones al portador. El objetivo de la sociedad era enlazar el tramo Santander-Solares, cuya concesión se había otorgado en 1887 y había sido terminado en 1894, con las concesiones Zallas-Solares, Zorroza-Valmaseda y Zorroza-Bilbao. La línea Santander-.Bilbao presentaba una peculiaridad: el tramo Santander-Solares, de ancho normal, se adaptó al ancho de un metro del resto del tendido realizado posteriormente; la transformación se preparó cuidadosamente, mediante la colocación de la nueva vía dentro de la primitiva, operación que finalizó entre las 8 h de la noche del 19 de junio de 1896 (hora de llegada a Santander del último tren de ancho normal, procedente de Solares) y las 7 h del día 20 (hora de comienzo del servicio). La línea completa Santander-Bilbao se inauguró el 6 de julio siguiente y constaba de 163 km.