La linea fu aperta il 20 dicembre 1874 dalla società Gotthardbahn (che per quella data aveva quindi provveduto a istituire le posizioni di capo esercizio e di capo del materiale e della trazione, entrambe con sede a Lucerna[2]); l'attivazione della linea avvenne in ritardo rispetto ai tempi previsti a causa della distruzione per il maltempo, il 14/15 agosto 1874, del ponte sulla Verzasca, il quale dovette essere ricostruito con una campata aggiuntiva[3].
Il primo giugno 1883 fu attivato il secondo binario tra Bellinzona e Giubiasco[4].
Il 6 febbraio 1922 fu attivata l'elettrificazione sulla tratta Bellinzona-Giubiasco[7]; il 15 maggio 1936 sulla restante tratta Giubiasco-Locarno[8].
Nel 1950 venne posato il secondo binario tra Giubiasco e Cadenazzo[9], attivato il 17 maggio 1953[10].
Nella primavera 1980 venne aperta all'esercizio, presso Mappo tra le stazioni di Tenero e Locarno, una variante comprendente la galleria «Rocca Bella»[11], lunga 748 metri. La variante venne costruita dal canton Ticino per realizzare una strada a servizio della viabilità locale[12].
Dal 29 novembre 2004 la tratta Cadenazzo-Locarno è gestita in regime di telecomando[13].
La ferrovia è lunga 21,1 km e supera un dislivello di 35,60 m; il percorso è caratterizzato da «lunghi rettilinei piani e grandi raggi di curvatura»[15].
Il ponte sul Ticino visto dall'argine sinistro.
Degni di rilievo «due grossi ponti: l'uno (a cinque luci, ognuna di 50 m) tra Cadenazzo e Gordola, sul delta che il Ticino forma prima di sfociare nel lago Maggiore, è il più grande ponte -naturalmente in ferro- che abbia costruito la Società Ferroviaria S. Gottardo; l'altro, sulla Verzasca, tra Gordola e Locarno, ha due campate di 50 m»[15].
È a doppio binario fra Bellinzona e Cadenazzo Ovest[16] e tra Ponte Ticino Ovest e Gordola[17].
Al chilometro 166,36 viene raggiunto, a quota 200,8 m s.l.m., il punto più basso[18] della rete ferroviaria delle FFS[19].
Detentrici delle concessioni per il traffico viaggiatori sono le FFS le quali lo gestiscono, da una parte, con treni InterRegio da e per Basilea FFS rispettivamente Zurigo stazione principale con fermata ogni ora a Locarno, Cadenazzo e Bellinzona[20] e, d'altra parte, tramite i treni della Ferrovia Regionale TILO-Linea S20 che circolano con cadenzamento semiorario[21][22]. L'offerta è inoltre completata sulla tratta tra Bellinzona e Cadenazzo dai treni della Ferrovia Regionale TILO-Linea S30[23] nonché, tra Bellinzona e Giubiasco, da quelli della Ferrovia Regionale TILO-Linea S10[24].
Il traffico merci regolare è limitato alla tratta Bellinzona-Cadenazzo (Cadenazzo Ovest per i treni da e per Luino)[25].
La linea Locarno–Cadenazzo in telecomando., su ffs.ch, Ferrovie federali svizzere. URL consultato il 28 novembre 2015 (archiviato dall'url originale l'8 dicembre 2015).
Secondo Wägli, Bahnprofil Schweiz CH+, p. 16, il punto in assoluto più basso della rete ferroviaria svizzera si trova presso la stazione di Locarno FART.
