La ligne de Cahors à Capdenac, classée dans le réseau des chemins de fer d'intérêt général par la loi du 31 décembre 1875, est déclarée d'utilité publique en 1879 et concédée à la Compagnie du Paris-Orléans en 1883.

Son intérêt est avant tout économique. En effet, se raccordant à Cahors avec la ligne en provenance de Monsempron-Libos, ouverte en 1869, elle va considérablement faciliter l'acheminement du charbon depuis le bassin houiller de Decazeville jusqu'à Bordeaux, via les fonderies de Fumel et les centres industriels de la vallée de la Garonne, en aval d'Agen. Évitant le détour par Lexos et Montauban, la ligne est tracée dans la vallée du Lot, coupant les méandres de la rivière et de ses rives par de nombreux ouvrages d'art, et permettant ainsi d'accélérer la vitesse de transit, gros point faible de la navigation fluviale à qui elle va porter un coup fatal.

En outre, la ligne joue également son rôle de transporteur de voyageurs, assurant les liaisons locales et régionales de service public au profit des populations et favorisant le développement agricole.

La ligne étant une construction de l'État, les travaux relèvent du service des Ponts et Chaussées de Cahors dirigé par l'ingénieur en chef Joseph Lanteirès. La ligne, longue de 68,550 kilomètres, constitue une véritable prouesse technique : commencée au cours de l'année 1881, elle est inaugurée le 14 juillet 1886. Mobilisant plus de 200 hommes, les travaux d'infrastructure sont en effet considérables et donnent lieu, notamment, à l'édification de 13 tunnels, 5 viaducs maçonnés, 4 ponts métalliques, mais aussi 51 passages à niveau avec maisons de garde et 12 stations ou haltes.

Au quotidien, le suivi technique est a assuré par l'ingénieur ordinaire de l'arrondissement de Cahors et celui de Figeac. L'expérimenté Jean-Pierre Lacaze est en charge de l'arrondissement de Cahors, mais il décède en 1885, il est alors remplacé par Eugène-Laurent Heurtault. Pour Figeac, l'ancien conducteur tout juste promu ingénieur, Jean Caillé, en est l'ingénieur ordinaire jusqu'à sa mutation en Cochinchine en 1883. Aucun autre nom d'ingénieur ordinaire n'apparaît dans les archives de 1883 à 1886 pour l'arrondissement de Figeac. Il est possible et probable qu'à partir de 1883, l'ingénieur de Cahors a assuré l'intérim sur Figeac jusqu'à la fin des travaux en 1886.

L'infrastructure de la voie a été divisée en plusieurs lots de travaux soumis à adjudication. Chaque entrepreneur avait en charge la construction d'une portion de la voie ferrée ainsi que l'établissement des maisons de garde.

Les bâtiments ferroviaires sont eux réalisés par des entrepreneurs qui semblent être plus spécialistes de ce genre d'architecture. Ainsi, les stations de gare sont construites par les sieurs Cancalon et Blavy, les haltes ferroviaires sont quant à elles exécutées par un certain Bezanger.

Les aménagements de la voie sont également confiés à des entrepreneurs spécialisés : les semis et plantations des talus sont à la charge de Séguela ; les clôtures sèches et les haies vives sont établies par Alexandre Thuret ; les barrières, poteaux kilométriques et indicateurs de pentes sont installés par Mathias Granges.

Dans l'entre-deux guerres, le rail se révèle être le maillon indispensable dans l'essor de la culture de la fraise lotoise : les temps d'acheminement courts et le respect des horaires ont alors permis la distribution rapide de ce produit recherché vers les marchés parisiens.

En 1934, la Compagnie du Paris-Orléans fusionne avec la Compagnie du Midi puis, avec la nationalisation, la ligne est rattachée au réseau de la S.N.C.F. Concurrencée par le développement des transports routiers à partir des années 1950, l'intérêt de la ligne décroît d'autant plus que l'industrie et les bassins houillers de la région de Decazeville déclinent. En 1966, les lignes Monsempron-Libos et Cahors-Capdenac sont inscrites dans le programme de transfert sur route des dessertes voyageur. Si le transfert de la première est effectif en 1971, la ligne Cahors-Capdenac bénéficie alors d'un sursis avec la présence à Cajarc du président Pompidou. En 1980 elle est finalement fermée au trafic des voyageurs et neuf ans plus tard au trafic des marchandises. En 1993 la voie ferrée va connaître une seconde vie avec son exploitation touristique par l'association Quercyrail jusqu'au début des années 2000.