Tallinn - Lelle raudteelõik oli ehitatud XIX sajandi lõpus ning XX sajandi alguses Tallinn - Viljandi kitsarööpmelise raudtee osana. Liini ametlik avamine toimus 1. augustil 1901.
1960-ndatel otsustati rongiliikluse arenemiseks ehitada lõunasuunda raudteeliinid ümber laiarööpmelisteks ning aastal 1967 hakati kitsarööpmelise raudtee kõrval rajama laiarööpmelise liini. Laiarööpmeline ühendustee Tallinn-Balti ja Tallinn-Väike jaamade vahel oli rajatud juba varem, Tallinn-Väike - Tallinn-Sadama lõik aga ei hakkanud ümber ehitada, sellega toimusid ehitustööd vaid Tallinn-Väike ja Lelle vahel.
Aastal 1969 sai valmis laiarööpmeline Tallinn - Rapla raudteelõik. 19. juunil 1969 väljus Tallinn-Balti jaamast pidulikukt kaunistatud esimene laiarööpaline reisirong (D1-312) liinile Tallinn - Rapla.
Aastaks 1971 ehitati laiarööpmeline raudtee juba Pärnu jaamani. Laiarööpmeline diiselrong (D1-465) teostas esimese reisi Tallinna ja Pärnu vahel 23. juulil 1971.
Aasta 1971 kevadel Tallinn-Sadama - Lelle kitsarööpmeline raudtee oli liikluseks suletud ning lammutatud. Sellega oli demonteeritud ka ülejaanud Tallinnas tegutsenud kitsarööpmelised raudteed (Veski post - Lasna, Liiva - Vääna jt). Peale kitsarööpmelise raudtee sulgemist ehitati Tallinn-Väike depoo ümber laiarööpmelise diiselrongide ning reisivagunite teenistuseks. Aastal 1994 rajati sinna ka uus remonditsehh.
Aastaks 1974 valmistati laiarööpmelise Lelle - Viljandi raudteeliini ning Lelle jaam sai täielikult laiarööpmeliseks sõlmjaamaks.
Aastast 1981 seoses Pärnu - Mõisaküla laiarööpmelise raudtee valmimisega hakkasid läbi Tallinn - Lelle raudteed liikuma ka rahvusvahelised reisirongid. Kahjuks aga tänapäevani see liin ei säilinud.
Aastast 1997 on Tallinn - Lelle - Pärnu ning Lelle - Viljandi liinid AS Edelaraudtee ettevõte omandis. Alates 1. veebruarist 2008 lõpetas Edelaraudtee tegemist kaubaveoga. Sellega tänapäeval liikuvad Tallinn - Lelle raudteeliinil ainult kohalikud diiselrongid.
Seoses uute Stadler FLIRT rongide saabumisega aastal 2013 on kõik ooteplatvormid ümberehitatud vastavalt euroopa standardile kõrgusele 550 mm.
