Esimese Eestimaal laiarööpmelise raudtee (Paldiski - Tallinn - Peterburi) ametlik avamine toimus 5. novembril (vana kalendri järgi 24. oktoobril) 1870.
Aastal 1875 alustati Tapa - Tartu harutee ehitamist ja juba järgmisel aastal oli seegi valmis. Sellega muutus Tapa IV klassi jaam II klassi sõlmjaamaks, kuhu tekkis peagi alevik. Ehitati depoo, remonditöökoda ja teine ooteplatvorm.
Haapsalus asuva raudteemuuseumi teadur-varahoidja Tõnu Tammearu ütles "Virumaa Teataja" reporterile, et esimene rong Tallinnast Tartusse sõitis vana kalendri järgi 21. augustil 1876 ning seda pidulikku sündmust pidas mõni toonase kirjutise autor ajutise liikluse alguseks."Dokumentaalset alust selleks pole, pigem oli tegemist esimese täispika rongisõiduga uuel raudteel."
"Tapal oli 38 minutit paus (ilmselt ümberistumise jaoks Tapa-Tallinna rongile), millele järgnes kaks tundi ja kuus minutit sõitu Tallinna," lisas Tammearu, kelle kinnitusel võttis 1876. ja 1877. aastal Tallinnast Tartusse jõudmine aega umbkaudu seitse ja pool tundi.
Rakke koduloomuuseumi peremees Antti Ilomets rääkis, et Tapa ja Tartu vahel peatus rong Kiltsi, Rakke, Vägeva, Jõgeva ja Tabivere jaamas. Reis Tapalt Tartusse kestis neli ja pool tundi. Antti Ilometsa andmetel sõitis esimene rong, kus ka pileteid müüdi, Tapa ja Tartu vahel 19. detsembril.
Siis algas Tapa - Tartu raudteelõigul kauba- ja reisirongide regulaarne (igapäevane) liiklus, et aga tee oli tegelikult riikliku komisjoni poolt üle vaatamata ja vastu võtmata, siis pigem tuleks seda pidada ajutise regulaarse liikluse avamiseks.
25. juulil 1877. aastal vaatas riiklik komisjon Tapa - Tartu raudtee üle ning 11. augustil avati lõpuks alaline liiklus.
1887. aastal pikendati Tapa - Tartu raudteeliin Valgani, kus liin ühendati ehitatava Pihkva - Riia raudteega. Viimasel avati alaline liiklus kaks aastat hiljem ehk aastal 1889.
Aastast 1920 oli Tamsalu omapärane sõlmjaam: Tapa - Tartu liinil asuv jaam oli seotud kitsarööpmelise raudteega Türi jaamaga, mis kuulus Tallinn - Viljandi kitsarööpmelise raudteele. Tamsalu - Türi harutee oli liikluseks suletud 31 märtsil 1972.
1920-1930 aa. on Tapa - Tartu liinil rajatud veel mitu jaama ja peatuskohta. Tartu ja Jõgeva vahel kehtis vähemalt 8 peatuspunkti, aga kõik need on tänapäevaks liikluseks suletud ning lammutatud.
1931. aastal valmis laiarööpmeline raudtee Tartu - Petseri. Eesti sadamad sai otseühenduse Venemaa keskpiirkondade ja Ukrainaga ning Tatru sai sõlmjaamaks.
1940. aastal sai Eestimaa NSVL liikmeks, ning kohalikud raudteed said Nõukogude Raudteede osaks. Saksa okupatsiooni alates viidi 1942. aastaks kõik Eesti laiarööpmelised raudteeliinid ringi „normaalrööpmeliseks" (1435 mm), mis võimaldas siin liikuda Saksa Riigiraudtee veeremil. 1944. aasta sügisel naelutasid Punaarmee raudteeväeosad enamiku Eesti laiarööpmelistest raudteedest ringi endisele laiusele (1524 mm).
Kuni 1940. aastani oli Tapa - Tartu lõigul liikluse korraldamiseks kasutusel sausüsteem. Peale Teise Maailmasõja hakati sõidukiiruste tõstmiseks ning turvalisuse tagamiseks taastatud raudteel uuemaid turva- ja signalisatsioonisüsteeme rakendama. 10 septembril 1987 oli Tapa - Tartu lõigul rakendatud uus „NEVA" süsteem, mis oli tegelikult automaatblokeering kaugjuhtimisel.
Tallinn - Tapa - Tartu on eestimaa üks olulisemast raudteedest, selle kaudu toimub ühendus pealinna ja teise Eesti suurima linna vahel. Tänapäeval sõit Tallinna ja Tartu vahel kiirrongiga kestab vaid kaks veerandiga tundi, s.h. poolteist tundi 112-kilomeetrisel Tapa - Tartu lõigul.
Seoses uute Stadler FLIRT rongide saabumisega aastal 2013 on kõik ooteplatvormid 2010-2012 aa. ümberehitatud vastavalt euroopa standardile kõrgusele 550 mm. Mitu aastat ennem on teostatud ka teede kaptaal- või taastusremont.
