La construction d’une ligne de la Croix-Rousse (Lyon) au Camp militaire de Sathonay, en prolongement du funiculaire de la rue Terme, est autorisée par décret du 12 juin 1861. L’ouverture a lieu le 30 juillet 1863. Mais la compagnie connait rapidement des difficultés financières. La Compagnie des Chemins de Fer du Rhône (CFR) rachète cette ligne et obtient par décret du 1er août 1874 de la prolonger jusqu’à Trévoux.

La Compagnie des Chemins de Fer des Dombes et du Sud Est (DSE) obtient de son côté une concession pour une ligne de Sathonay à Bourg-en-Bresse, ouverte le 18 juin 1882. Elle négocie, moyennant finance, de faire partir ses trains de la gare de la Croix-Rousse. La CFR est rachetée par la DSE, cette dernière inaugure en 1882 la section de ligne de Sathonay à Trévoux.

La compagnie du PLM reprend la ligne en 1897, mais sans les locomotives, ni les voitures à impériales. En 1900, elle ouvre un raccordement de Sathonay à Lyon-Saint-Clair, sur la ligne de Lyon à Genève, ce qui connecte la ligne au réseau PLM.

Le service voyageurs cesse en décembre 1938 entre Sathonay et Trévoux. La gare de la Croix-Rousse est fermée en 1953 avec report des trains sur les gares de Perrache et des Brotteaux. La section Lyon-Croix-Rousse - Sathonay est définitivement fermée le 28 septembre 1975. Cependant, la partie de son tracé comprise entre Croix-Rousse et Cuire sera reprise par la ligne C du métro de Lyon.

Le projet de prolonger la ligne jusqu’à Villefranche-sur-Saône n’a jamais abouti.

Les habitués de la ligne la surnomment affectueusement « la Galoche », sans doute à cause du tac-tac lancinant des roues sur les rails courts, comparable au bruit de sabots en bois sur les pavés.