In un primo momento si decise di abbandonare l'idea e puntare piuttosto sul raddoppio della Padova-Bologna, ma alcuni parlamentari veneti si batterono affinché la ferrovia fosse realizzata. Così fu stabilito che la nuova ferrovia dovesse collegare la stazione di Ostiglia in provincia di Mantova, posta sulla sponda sinistra del Po lungo la linea Bologna–Verona, con la stazione di Treviso Centrale, punto di scambio con la Mestre-Udine e la Treviso-Portogruaro. Il progetto fu sospeso dallo scoppio della prima guerra mondiale. Negli anni venti si intrapresero i lavori per la costruzione della ferrovia che terminarono solo agli inizi degli anni quaranta, nell'imminenza del secondo conflitto mondiale. Nella sua completa estensione, la linea ferroviaria ebbe poca vita, poiché fu pesantemente bombardata dagli Alleati nel 1944; a causa dei danni di guerra, il 16 novembre 1944 i treni cessarono di correre tra Grisignano di Zocco e Treviso. Successivi bombardamenti interruppero la circolazione anche nelle restanti sezioni. Nel breve periodo della sua esistenza funzionò più da infrastruttura bellica per il trasporto di merci che come mezzo per trasportare persone. A titolo di esempio basti ricordare che nell'ultima tratta aperta all'esercizio i fabbricati viaggiatori delle stazioni di Arsego, Badoere-Levada e Ronchi, nei pressi di Piombino Dese, e delle fermate di Loreggia, Campodoro e Silvelle di Trebaseleghe non furono mai raggiunti dalle strade che ne avrebbero permesso il collegamento ai rispettivi paesi, in quanto i comuni interessati, ai quali competeva tale onere, non ebbero modo di provvedervi. Già nel settembre del 1946 poco dopo la fine della seconda guerra mondiale, l'esercito degli Alleati riattivò la tratta tra Quinto di Treviso e Treviso Porta Santi Quaranta della sezione tra Grisignano e Treviso. Sembrò a quel punto che i lavori di ripristino dovessero procedere velocemente anche nel resto della parte "alta" della linea, ma invece furono immediatamente sospesi, tanto che la breve tratta riaperta fu chiusa dalle FS nel dicembre 1947. La sezione tra Grisignano di Zocco e Quinto di Treviso non fu più riattivata (e venne soppressa nel 1959), mentre sempre nel 1947 la linea fu riattivata tra Ostiglia, Legnago e Grisignano di Zocco, per essere poi chiusa all'esercizio tra Ostiglia e Legnago nel 1965 e tra Grisignano e Cologna nel 1967.  Negli anni Duemila venne progettato di trasformare la tratta in pista ciclabile, denominata pista ciclabile Treviso-Ostiglia. Tale progetto ha portato alla creazione di una pista ciclopedonale che collega la provincia di Treviso con la provincia di Padova, giungendo ai confini con la provincia di Vicenza (tra Bevadoro di Campodoro e Pojana di Granfion).