En Septembre 1866, la Compagnie des Dombes et du Sud Est obtient la concession d'une ligne d'intérêt local devant relier Bourg en Bresse à La Cluse. Les débuts des travaux sont retardés par le conflit de 1870 et ne commencent qu'en Septembre 1872. La ligne a un profil difficile avec des rampes d'un maximum de 28 pour mille. La construction des nombreux ouvrages d'art, viaducs, mais surtout tunnels repoussent la date prévue pour l'achévement. L'ouverture se fera par tronçon, suivant l'avancement des travaux, à partir de Mars 1876. L'inauguration jusqu'à La Cluse n'aura lieu que le 29 Mars 1877. Prévu depuis le début du projet, le prolongement vers Bellegarde, classé en ligne d'intérêt général, est ouvert en Avril 1882. Ce sera la dernière ligne ouverte par la Compagnie de Dombes, avant la reprise de son réseau par le PLM en 1884. La ligne partant de La Cluse sur le Haut Jura en direction de Saint Claude sera ouverte par le PLM.

1990 est l'année de la fermeture de la section de La Cluse à Bellegarde, et il ne reste que l'itinéraire de Bourg à Saint Claude. En 1880, les lignes de la Compagnie des Dombes offraient déjà des raccourcis par rapport à celles des grands réseaux. C'est sans doute pourquoi la ligne de Bourg à Bellegarde a été choisie pour améliorer le temps de parcours des TGV Paris-Genève, l'itinéraire faisant presque 60 Km de moins que celui passant par Ambérieu. Le parcours Bourg-La Cluse est donc fermé pour travaux depuis le 1er Septembre 2005. La ligne sera éléctrifiée en 25Kv, et la section de La Cluse à Bellegarde réouverte après 16 ans de fermeture.