Jernbanen fikk konsesjonen 2. februar 1891 med en varighet på 40 år fra åpningsdatoen. Strekningen åpnet 1. juli 1894. Jernbaneselskapet slet i mange år med økonomiske problemer på grunn av høy gjeld, noe som stabiliserte seg rundt 1900. I 1920-årene begynte rutebiltrafikken å bli en alvorlig konkurrent, siden reisetiden fra Osøyro til Bergen langs veien var på rundt 1 time og 20 minutter, mot jernbanens 1 time og 50 minutter. Banen ble nedlagt 2. september 1935 som første jernbanestrekning i Norge. Noe av materiellet fra nedleggelsen ble solgt til Urskog–Hølandsbanen, en av få andre baner i Norge med sporvidde 750 mm og som hadde drift med damplokomotiv.