Strækningen er den sidste del af en aftale imellem den danske stat og Peto, Brassey & Betts fra den 18. december 1860 og har hjemmel i lov af 10. marts 1861, hvor en række jernbanestrækninger i Jylland og på Fyn skulle bygges af konsortiet på vegne af staten. Forarbejdet til den 81 km lange strækning mellem Randers og Aalborg begyndte i oktober 1865. Den ledende ingeniør var Frederick James Rowan. Det var den danske stat der betalte arbejdet og da strækningen stod færdig var der brugt 19,4 millioner rigsdaler.  Den 18. september 1869 blev strækningen indviet og indvielsestoget bestod af ikke mindre end 17 vogne og 236 indbudte gæster, heriblandt kong Christian 9.. Dagen efter indledtes den daglige drift med tre tog i hver retning om dagen.  Den 20. marts 1918 blev det besluttet at udvide banen til dobbeltspor, men først i 1940 gik arbejdet i gang og det sidste stykke dobbeltspor mellem Støvring og Ellidshøj åbnede 6. maj 1953.  Trafikken Persontrafikken betjenes udelukkende af DSB.