Ouverte le 6 Décembre 1891 par le PLM, cette ligne à voie unique desservait une zone essentiellement agricole.

Elle permettait également le transport vers le nord de la houille d'Épinac. Seul embranchement de la ligne, une carrière de pierre sur la commune de Thury. Entre Les Laumes et Pouillenay, la voie était commune avec la ligne d'Avallon, ouverte depuis Juin 1876. Elle traversait les collines du Morvan avec de nombreuses rampes de 15 ‰.

Prolongé après 1940, le service voyageur fut reporté sur route en Octobre 1953.

La ligne servait également d'itinéraire de détournement en cas d'avarie du tunnel de Blaisy-Bas sur la ligne Paris-Lyon, et surtout après guerre en attendant la reconstruction des ouvrages d'art détruits sur la grande ligne.

La portion Épinac-Arnay le Duc ferma en 1978 après un effondrement dans une tranchée d'accès au tunnel de Thury. Il ne circulait plus que sur cette partie, des trains de pierre provenant de la carrière.

La section Arnay-Les Laumes fut fermée en 1989. Seule reste en service la partie commune à la ligne d'Avallon entre Pouillenay et Les Laumes.