Strekningen Hamar–Otta ble vedtatt 8. juli 1890 og åpnet for vanlig drift i to etapper: Til Tretten 15. november 1894, til Otta 2. november 1896 (lengde 171 km fra Hamar til Otta) og forlenget til Dombås 6. desember 1913 (46 km) etter vedtak i Stortinget juli 1907. Den var anlagt med normalspor. Strekningen fikk elektrisk drift i 1968. Administrativt ble denne banestrekningen slått sammen med den eldre Hedemarksbanen (Eidsvoll–Hamar) til Eidsvoll–Ottabanen, som da utgjorde en sammenhengende normalsporet statsbane fra Eidsvoll og Hovedbanen (som den gang var en privatbane) nordover mot Møre og Romsdal. Trøndelag hadde allerede sin jernbaneforbindelse med Østlandet gjennom Rørosbanen (smalsporet inntil 1941), så Gudbrandsdalsbanen var først og fremst tenkt som forbindelsen mot Møre og Romsdal. På slutten av 1800-tallet ble forlengelse av Gudbrandsdalsbanen til Veblungsnes i Romsdal eller helt til Ålesund vurdert. I politiske debatter omkring 1900 var det krav om å forlenge Gudbrandsdalsbanen både til Romsdalsfjorden og til Støren. Fra Dombås bygget man også Raumabanen til Åndalsnes (ferdig 1924) som ledd i denne planen. I stedet kom Dovrebanen (Dombås-Støren) i 1921, slik at Gudbrandsdalsbanen fra 1921 ble hovedforbindelsen mellom Oslo og Trondheim. I Gausdal ble det fra slutten av 1800-tallet arbeidet for å anlegge jernbane i dalen med tilknytning til Gudbrandsdalsbanen ved Fåberg eller ved Lillehammer. Anlegg av jernbane Gjøvik-Lillehammer med tilknytning til Gudbrandsdalsbanen ble utredet på den tiden.