La linea è stata costruita poco per volta: partendo da Torino, il 18 aprile 1868 viene inaugurato il primo tratto di ferrovia tra la stazione di Porta Milano e Venaria Reale; il 1 dicembre 1868 si arriva fino a Caselle e il 28 febbraio 1869 si raggiungeCirié, per un totale di 21,343 km e 5 stazioni: Madonna di Campagna al km 3,239, Venaria (7,252 km), Caselle (13,270 km), San Maurizio Canavese (18,317 km) e Cirié; la stazione di Borgaro (9,260 km) sarà costruita solo nel 1870 in quanto il comune di Borgaro Torinese non aveva inizialmente pagato i contributi di costruzione della linea, mentre lastazione di Torino Dora (2,236 km) era solo una fermata.
Nel 1876 (6 agosto) la linea viene portata fino a Lanzo Torinese alla presenza del presidente del Consiglio dei MinistriDepretis e nel 1913 l'ing. Alberto Scotti mette a punto il progetto della ferrovia fino a Ceres: grazie anche alla collaborazione dei prigionieri di guerra austriaci, nel giugno 1915 la ferrovia arriva a Germagnano ed il 17 giugno 1916viene completata l'intera linea montana con tratti in pendenza massima al 35‰, curve di 200 m di raggio e lunghezza complessiva di circa 44 km.
Il 6 ottobre 1920 la Torino-Ceres fu la prima ferrrovia al mondo ad adottare la trazione elettrica a corrente continua ad alta tensione (4000 V).
Una particolare caratteristica della linea ferroviaria è che tutte le stazioni della tratta montana, da quella di Lanzo a quella di Ceres, sono state costruite tra il 1886 ed il 1918 in tipico stile svizzero con pianta rettangolare, sale d'attesa di prima e seconda classe, alloggio per il custode al primo e secondo piano e tetto a quattro spioventi.
Quattro stazioni sono più grandi (Lanzo, Germagnano, Pessinetto e Ceres) mentre le altre 4 (Funghera, Traves, Losa e Mezzenile) hanno dimensioni minori, pur mantenendo le stesse caratteristiche per quanto riguarda pianta (senza la doppia sala d'attesa), facciata e tetti.
Un'altra peculiarità della linea è il viadotto con un'unica luce di 50 m in cemento armato sulla Stura di Val Grande a Ceres, lungo 190 metri.
Fino al 1988 la linea partiva dalla stazione di Torino Cirié-Lanzo situata in corso Giulio Cesare nei pressi di Porta Palazzo e lungo il suo tragitto si dipartivano svariati racordi ferroviari per le aziende: quello per l'Arsenale in Piazza Borgo Dora, quello per le Officine del Gas (in seguito Italgas) in Corso Regina Margherita 52 (stabilimento raggiunto con un ponte sulla Dora Riparia), assieme a quelli delle Officine Moncenisio e dell'ATM di Corso Tortona, per l'azienda NAFTA e per l'azienda Gilardini): questo raccordo verrà dismesso il 5 febbraio 1968. Altri raccordi lungo la linea sono quelli per le Ferriere FIAT (presso la Madonna di Campagna), per la Snia Viscosa e le Manifatture Martiny diVenaria Reale, per la Manifattura San Maurizio a San Maurizio Canavese, per la cartiera Bosso di Mathi, per l'amiantifera di Balangero, per la cartiera di Germagnano e quello per la miniera di talco di Pessinetto. Nel 1967 venne inoltre costruito un raccordo che, poco a monte dalla Madonna di Campagna conduceva al Mattatoio Comunale di via Traves. Il trasporto merci cessa definitivamente verso la metà degli anni Ottanta e attualmente la linea è percorsa unicamente da convogli passeggeri.
Nel 1967 con Decreto Ministeriale la linea venne assunta direttamente in Gestione commissariale governativa e nel 1981 passa in gestione alla SATTI.
Alla fine degli anni '80 la linea è stata ampiamente rimodernata ed interrata nel comune di Torino; in concomitanza dei lavori è stata dismessa la stazione di Torino Cirié-Lanzo ed il capolinea è stato arretrato alla stazione di Torino Dora, costruita per l'occasione così come quella di Venaria Rigola-Stadio.
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