名古屋市交通局及び名古屋鉄道（名鉄）からの線路使用料を収入源としている。受取額は、両者より合計で、2006年度（平成18年度）14億5,000万円、2007年度（平成19年度）以降16億円、2012年度（平成24年度）以降18億円となっている。キロ程は名鉄の方が約3倍であるが、使用料は両者同額である。同社の「事後評価」においては、2012年度（平成24年度）に単年度黒字に転換、2018年度（平成30年度）に累積損失解消を想定していた。しかし、2011年度（平成23年度）の決算において「事後評価」の想定より1年早く単年度黒字に転換した。2016年度（平成28年度）の決算においては、鉄道事業の営業利益が7億円を超え、建設時に借り入れた借入金の利息負担が重いものの経常段階では5億円弱の黒字となり、想定より2年早く累積損失を一掃した。
上飯田連絡線は、1992年（平成4年）運輸政策審議会答申第12号名古屋圏における高速鉄道を中心とする交通網の整備に関する基本計画についてにおいて、2008年（平成20年）までに整備すべき路線として位置付けられた。事業主体としては、小牧線上飯田駅と地下鉄平安通駅間の連絡線部分は名古屋市交通局を想定して計画されていたが、実際の建設は、「地下高速鉄道整備事業費補助制度」の適用の下、償還型上下分離方式により行われることとなった。それに伴い、上飯田連絡線株式会社が、上飯田連絡線の建設保有事業主体として1994年（平成6年）に設立され、1996年（平成8年）9月に着工された。実際の建設では既設区間である味鋺 - 上飯田間の地下化と複線化が同時に行われることとなり、その区間は既設区間の事業者である名古屋鉄道・日本鉄道建設公団に委託され、新設の上飯田 - 平安通間は名古屋市交通局に委託された。上飯田 - 平安通間は道路幅が狭い上に交通量が多く、さらに沿道には住宅や商店が密集して建っているという地下鉄建設にとって厳しい条件が揃っていたため、これらへの対応に追われた。また、味鋺 - 上飯田間も庄内川、矢田川の伏流水が流れる砂礫層を通るため難工事となった。さらに1995年（平成7年）1月17日の阪神・淡路大震災の発生に伴い国が耐震基準を改めたため構造物の設計もやり直しとなった上、2000年（平成12年）9月の東海豪雨で駅が浸水する被害を受けた。そのため完成は予定よりも遅れ、1996年の着工から約6年半を要し、2003年（平成15年）3月27日に開業した。
上飯田連絡線は、全区画間の鉄道施設を、いわゆる上下分離方式により、上飯田連絡線株式会社が建設し、第三種鉄道事業者として所有している。そのうち、味鋺 - 上飯田間は名鉄が、上飯田 - 平安通間は名古屋市交通局が第二種鉄道事業者として線路等の施設を賃借し、それぞれ小牧線、上飯田線として運行・営業を行っている。営業路線の名称として「上飯田連絡線」は使われていない。名鉄小牧線のターミナルである上飯田駅は、1971年（昭和46年）2月1日、同駅に接続する名古屋市電御成通線、上飯田 - 大曽根間が廃止された後、他の軌道系交通機関との連絡がなくなったため、名古屋市中心部までの交通は路線バスや地下鉄平安通駅まで徒歩（約10分）に頼っていた。そのため名鉄小牧線の利用者からは、連絡線の建設が強く望まれていた。上飯田連絡線の開業によりその不便は解消された。
1930年（昭和5年）、岐阜県から富山県へと流れる庄川で建設が進められてきた小牧発電所および祖山発電所が運転を開始した。いずれも大規模なダムを伴う水力発電所であり、前者は庄川水力電気、後者は昭和電力の所有するものであった。1939年（昭和14年）、電気事業の国家管理化を進める日本政府によって日本発送電が設立されると、小牧発電所や祖山発電所を含む多くの庄川水系の水力発電所は日本発送電に引き継がれた。同年、日本発送電は小原発電所の建設に着手。祖山ダムの上流に小原ダムを建設し、ダム直下右岸の小原発電所で最大4万5,000キロワット（現在は4万5,700キロワット）の電力を発生するものである。小原発電所は1942年（昭和17年）に運転を開始した。その後、日本発送電は小原ダムの上流において成出ダム・成出発電所の建設に着手するものの、完成を待たずして日本発送電は1951年（昭和26年）に分割・民営化。小原発電所始めとする庄川の水力発電所は関西電力に継承され、同社の手によって成出ダムのほか、上流の椿原ダム・鳩谷ダムが1950年代中に完成している。1961年（昭和36年）、電源開発によって建設されてきた御母衣ダム・御母衣発電所が完成。関西電力は1967年（昭和42年）、祖山ダムに新祖山発電所を増設したのに続き、成出ダムや椿原ダムにおいてもそれぞれ新成出発電所・新椿原発電所を増設した。小原ダムと成出ダムとの間には新たに赤尾ダムを建設し、赤尾発電所を1978年（昭和53年）に運転開始。小原ダムにおいても新小原発電所（4万5,000キロワット）の増設が進められ、1980年（昭和55年）に運転を開始した。