Al op 10 november 1875 waren er plannen van de staat om een spoorlijn aan te leggen van Amersfoort over Veenendaal naar Wageningen, maar om defensie-redenen werden de plannen destijds gewijzigd; in plaats van via Wageningen moest de spoorlijn via Rhenen en de Rijnbrug aansluiten op de Betuwelijn van Dordrecht, Geldermalsen en Tiel naar Arnhem en Nijmegen.
De lijn was omstreeks 1884 gereed, maar toen was nog niet vastgesteld welke spoorwegmaatschappij de exploitatie op zich zou nemen. De overheid wilde graag een door één maatschappij geëxploiteerde spoorweg van Amsterdam over Nijmegen naar het Duitse Kleef. De Hollandsche IJzeren Spoorweg-Maatschappij (HIJSM) was heer en meester in de Nederlandse hoofdstad en wilde graag een exploitatie van Amsterdam naar Nijmegen, mede omdat deze al de spoorlijn in gebruik had tussen Amsterdam, Hilversum en Amersfoort en omdat de verbinding met Veenendaal en Kesteren goed aansloot om een exploitatie naar Nijmegen tot stand te brengen. Maar de HIJSM had daarbij wel de hulp nodig van de concurrent Maatschappij tot Exploitatie van Staatsspoorwegen (SS) die de trein verder naar Nijmegen kon brengen. Men noemde dat een ‘Running Power’. Dit was zeer moeilijk in die tijd, doordat deze twee maatschappijen regelmatig met elkaar in concurrentiestrijd waren verwikkeld. SS wilde wel samenwerken maar op een andere voorwaarde. SS had al de Betuwespoorlijn in exploitatie van Nijmegen naar Dordrecht via Kesteren, Tiel en Geldermalsen en zag de nieuwe spoorlijn naar Amersfoort als een mooie, aansluitende verbinding naar de hoofdstad. Zij wilde graag een Running Power van de HIJSM op de Oosterspoorweg tussen Amersfoort en Amsterdam. SS wilde daar graag ook een station en dit was een mooie kans. Daar wilde de HIJSM echter niets van weten.
De oplossing kwam in januari 1886 met een Koninklijk Besluit, waarbij de exploitatie tijdelijk aan de HIJSM werd gegund, zodat eindelijk op 18 februari 1886 de HIJSM ging pendelen tussen Amersfoort Staat en Kesteren. In Amersfoort had de HIJSM het medegebruik van het station van de Nederlandsche Centraal-Spoorweg-Maatschappij (NCS). Tussen Amersfoort Staat en het NCS-station werd een verbindingsspoortje aangelegd. Toen de doorgaande treinen naar Nijmegen gingen rijden, werd een ongelijkvloerse kruising aangelegd waarbij het mogelijk werd om rechtstreeks vanaf station Amersfoort Staat de NCS-spoorlijn te kruisen en aan te sluiten op de bestaande Oosterspoorlijn.
Doorgaande treinen naar Nijmegen waren toen nog niet mogelijk, omdat er nog steeds geen overeenstemming was tussen de beide spoorwegmaatschappijen.
Maar er kwam schot in de zaak toen de regering dreigde het medegebruik van de spoorlijn op te dragen aan de HIJSM en SS dat dan maar had te gedogen. SS en de HIJSM kwamen overeen dat alle HIJSM-treinen vanuit Kesteren met SS-tractie naar Nijmegen zouden worden gebracht waarbij uiteindelijk op 1 juni 1889 de doorgaande verbinding tussen Amsterdam en Nijmegen tot stand zou worden gebracht.
Uiteindelijk besliste de overheid dat de grote spoorlijnen opnieuw werden herverdeeld. De Betuwespoorlijn ging over naar de HIJSM. Hierdoor was de HIJSM niet meer afhankelijk van SS, werd het emplacement in Kesteren uitgebreid en waren er vele mogelijkheden voor de HIJSM om haar treindiensten uit te breiden. Eind jaren 1890 reden er allerlei soorten treinen over de spoorlijn tussen Amersfoort, Veenendaal en Kesteren naar Nijmegen, Kleef en verder Duitsland in: sneltreinen, stoptreinen en vele goederentreinen. In 1891 kwamen hier drie lokaaltreinen bij met alleen 2e en 3e klasse.
Vanwege de belangengemeenschap die SS en de HIJSM in 1917 waren aangegaan, kwam er een eind aan de concurrentie. Er veranderde niet echt veel, maar de lijn Kesteren – Amersfoort werd wel minder belangrijk. Nieuw was rond 1919 en 1920 dat vele snel- en stoptreinen van Amsterdam en Amersfoort vanuit Nijmegen werden doorgetrokken tot Maastricht en Heerlen en in de zomer zelfs met doorgaande rijtuigen voor het Zwitserse Bazel. De doorgaande D-treinen naar Nijmegen en Duitsland via Kleef hebben tot rond 1932 gereden.
In 1940 kwam er een einde aan de doorgaande treinen en reden de snel- en stoptreinen niet verder dan Nijmegen. Daarin kwam tijdens de Tweede Wereldoorlog een korte onderbreking, doordat op 13 mei 1940 de spoorbrug bij Rhenen door Nederlandse artillerie onder vuur werd genomen. De ontsteking van de aangebrachte springlading werkte niet. Met letterlijk de laatste granaat lukte het de springlading tot ontploffing te brengen, waardoor de brug vernield werd. Na de strijd van de meidagen werd de brug enkelsporig hersteld met vrijgekomen brugdelen van de brug over de Oosterdoksluis te Amsterdam. Door de oorlog heen werd het vervoer weer zo goed mogelijk uitgevoerd. In de oorlog vonden diverse beschietingen van de spoorlijn en de treinen plaats. In 1944 kwam door de spoorwegstaking een einde aan de treindiensten op de spoorlijn tussen Amersfoort, Veenendaal, Rhenen en Kesteren. De Rhenense brug werd op 2 oktober 1944 opnieuw vernield. Ditmaal was de oorzaak een aanval van de geallieerden. In december 1944 maakten Duitse Sprengcommando’s de brug verder onklaar. Slechts twee pijlers bleven over. Na de oorlog is de brug niet meer als spoorbrug hersteld. Mede op de twee overgebleven brugpijlers werd in 1957 een nieuwe verkeersbrug gebouwd.
Na de oorlog werd de geregelde reizigersdienst op de spoorlijn Kesteren – Amersfoort niet hervat. Rhenen was nu niet meer per spoor bereikbaar en het station Kesteren werd hernoemd in Kesteren-Rhenen. De spoorlijn vanuit Amersfoort zou vanaf dat tijdstip alleen nog maar voor goederenvervoer worden gebruikt. Er werd een busdienst opgezet tussen Rhenen en Amersfoort tot het definitieve besluit kwam om het reizigersvervoer tussen Rhenen en Amersfoort te staken. In 1954 kreeg de spoorlijn de status van een lokaalspoorlijn waarbij het seinwezen werd vereenvoudigd. Op 28 mei 1972 werd het lijngedeelte Woudenberg-Scherpenzeel – Veenendaal – Rhenen gesloten, vanwege beëindiging van het goederenvervoer. Leusden raccordement Pon – Woudenberg-Scherpenzeel werd gesloten in 1988 en aansluitend tot aan de Leusbroekerweg in Leusden opgebroken. Het overgebleven deel Amersfoort – Leusden wordt de Ponlijn genoemd. Hier rijden nog vrijwel elke werkdag autotreinen vanuit Duitsland naar importeur Pon.
Nadat in 1944 aan de personendienst over deze lijn een einde kwam, hebben voor bijzonder vervoer nog wel enkele personentreinen gereden. Zo werd het emplacement van Rhenen in de jaren ’50 gebruikt als kampeerterrein van de stichting Jongeren en Studenten uit Amsterdam.
De Nederlandse Spoorwegen hadden enkele oude wagens, waaronder oude Coupérijtuigen en een Restauratierijtuig, afgestaan aan deze stichting. Verder werden een aantal besloten ritten gemaakt, namelijk op 29 augustus 1970 tussen Amersfoort en Rhenen voor de NVBS, op 24 mei 1972 van Veenendaal naar Rhenen voor de Ritmeester sigarenfabrieken, op 6 oktober door NS van Amersfoort naar Rhenen, in 1976 voor buurtvereniging ’t Spoor uit Woudenberg, waarbij driemaal gependeld werd tussen Woudenberg en Veenendaal en op 30 oktober 1976 voor NVBS tussen Amersfoort en Veenendaal. In het weekend van 26 en 27 september 1981 vond tussen Amersfoort en Woudenberg het evenement ‘Stoom ’81’ plaats ter gelegenheid van het 50-jarige jubileum van de NVBS. Er werd toen onder andere een parade met stoomlocomotieven gehouden en er werden pendelritten met stoom gemaakt tussen beide plaatsen. Nadat ook het baanvak Leusden – Woudenberg opgebroken was, is er op de Ponlijn nog een aantal gezelschapsritten gehouden. Hierbij was het meest uiteenlopende (diesel)materieel in Leusden te zien, zoals: Het directierijtuig NS 20 (Kameel), ACTS Class’58 + DB-rijtuigen + VolkerRail V100 + ACTS 1254, DE2 186, Plan U 116 en plan U 114.
Op de spoorlijn Kesteren – Amersfoort heeft heel wat materieel gereden. In de HSM-tijd waren onder andere de HSM-Bogen serie 350-408 waar te nemen (1600-serie in de NS-tijd). Met name na de belangengemeenschap in 1917 en de fusie in 1925 tussen de HSM en SS tot de N.V. Nederlandse Spoorwegen waren er diverse soorten machines van zowel SS als HSM waar te nemen die inmiddels allemaal opnieuw waren genummerd. Op de Veenendaallijn werden de meeste diensten gereden door de Depots Amsterdam en Nijmegen. De 1900-serie en ook de Nijmeegse Zeppelins van de serie 3600 waren hier veel te zien. Verder waren 3700’en, 3800’en en 3900’en waar te nemen en waren ook de 1700’en (voorheen van SS) actief. Na de oorlog waren ook op de goederentreinen die nog over de spoorlijn liepen de Engelse Austerity-machines van de serie 4400 tussen Amersfoort en Rhenen te zien. In de loop der tijd werd de stoomtractie vervangen door diesellocomotieven. Op reizigerstreinen waren vlak voor de oorlog soms ook enkele dieseltreinen van het type Dieselvijf te zien. In 1952 verdwenen de stoomlocomotieven van de serie 4400. Grote Sikken kwamen ervoor in de plaats maar later ook de andere diesellocs van de serie 600, 2200 en 2400.