Der blev givet lovhjemmel til anlæg af banen i den store jernbanelov fra 1894, men egnen kunne ikke rejse den nødvendige kapital. Der kom først gang i baneprojektet, da staten i 1900 forhøjede sit tilskud til 3/4 af anlægskapitalen.
Fra Thisted gik banen nordpå til Nors og derfra østpå. Diskussionen om linjeføringen gik bl.a. på, om banen skulle være ført endnu længere nordpå for at komme tæt på Hanstholm. Et projekt opererede endda med at den skulle gå gennem Hanstholm, hvilket ville have forlænget den med 9 km.
Banen fik fuld optagelse på DSB-stationen i Thisted, hvor den havde hovedkontor, værksted og maskindepot. Fjerritslev-Frederikshavn Jernbanes station i Fjerritslev gik over til at være ejet i fællesskab af de to selskaber.
Tømmerby trinbræt i km 34,0 med ekspedition af banepakker i vogterhuset, billetsalgssted fra 1905. Efter opførelse af retirade i 1908 fungerede den som station, men betjeningen ophørte i januar 1944, og den blev nedrykket til trinbræt.
Vust trinbræt i km 42,4 mellem Holme og Vust med ekspedition af banepakker i vogterhuset, billetsalgssted fra 1. maj 1905. Efter opførelse af retirade i 1908 og varehus i 1909 oprykket til holdeplads 1. oktober 1910. Den fungerede som station med visse begrænsninger, men fra 1950 var den ikke længere togfølgestation, og i 1962 blev den nedrykket til trinbræt.
Gøttrup trinbræt i km 51,7. Lå 3½ km nord for byen. I efteråret 1910 blev der opført et baneformandshus, og Gøttrup blev billetsalgssted fra 1. januar 1911. Betjeningen ophørte 1. april 1924, og Gøttrup blev igen trinbræt.
Banens stationsbygninger var tegnet af Heinrich Wenck. Han tegnede to typer: de små, kompakte "konestationer" med gavl ud mod banen og de lidt større "mandestationer" med langsiden mod banen. En variant af den lille type findes i Tømmerby og Vust, hvor de oprindelige vogterhuse blev ombygget til stationsbygninger, og de var 1-2 m lavere end standardtypen. Vesløs var oprindeligt af den lille type, men fik i 1919-20 en tilbygning, så den blev en hybrid mellem de to typer. Frøstrup, der var banens største mellemstation, havde større stationsbygning end de andre. Den var magen til Falling station på Horsens-Odder Jernbane, men spejlvendt.
De fleste stationsbygninger er bevaret, men de er revet ned i Fjerritslev (1976) og Vesløs (1988).
Vandet: Elmholmvej 3
Nors: Stationsvej 10
Hillerslev: Ballerumvej 222
Hunstrup: Karensvej 9
Østerild: Tårnvej 37
Tømmerby: Tømmerbyvej 78
Frøstrup: Storkevej 15
Vust: Lundfjordvej 3
Torup: Stationsvej 10
Klim: Kirkegade 12
Gøttrup: Gøttrupvej 37
19 km af banens tracé er bevaret og tilgængeligt. Den længste strækning er de 10 km mellem Østerild og Tømmerby, afbrudt gennem Vesløs.
