La ferrovia Roma – Capranica – Viterbo fu inaugurata il 29/04/1894 e aperta al pubblico il giorno successivo. Inizialmente il capolinea romano era situato nell’attuale P.zza Ippolito Nievo, presso l'antica stazione di Roma Trastevere, la cui apertura fece si che venne chiusa la stazione di Roma Porta Portese (aperta il 24/4/1859 e antico capolinea della linea per Civitavecchia).Il giorno 11/5/1911 fu aperta l'attuale stazione di Roma Trastevere che taglia perpendicolarmente la vecchia linea e il capolinea fu spostato in questa stazione, con conseguente chiusura della vecchia stazione.

L'edificio della vecchia stazione di Roma Trastevere è ancora esistente (fino al 1950 la stazione funzionò come scalo merci ed officina veicoli) ed è sede dell'Istituto Sperimentale delle FS (riconoscibile anche dalla 740 monumentata all'esterno). Nessuna traccia invece della stazione di Roma Porta Portese e dei raccordi che portavano alla vecchia stazione di Roma Trastevere ormai da tempo demoliti. A partire dagli anni ’60, con il crescente sviluppo dei quartieri della zona nord di Roma si è assistito ad un crescente aumento del traffico passeggeri, ma contemporaneamente anche ad una notevole riduzione del traffico merci, oggi del tutto scomparso.

Nel 1971 viene istituito il servizio urbano fino a La Storta, 11Km e 9 fermate: Balduina, Pineta Sacchetti, S. Filippo Neri, Ottavia, La Giustiniana. Roma S. Onofrio cambia nome e diventa Roma Monte Mario. Sempre in questo periodo terminano gli ultimi treni a vapore sostituiti dalle ALn o da locomtive diesel. Tra il 1987 e il 1990 la linea viene interrotta tra Trastevere e Balduina, per i lavorI di costruzione della nuova galleria per la linea Roma Trastevere - Roma S. Pietro - Maccarese e costruzione del nuovo viadotto su Via Gregorio VII. Per un breve periodo i treni da Viterbo si attestavano a nord di questo viadotto, ancora in costruzione. Il 25 maggio 1990 viene elettrificato il tratto Trastevere - S.Pietro - Vigna Clara, prima parte dell'anello ferroviario di Roma (linea Cintura) opera tra l'altro mai completata. Il tratto di linea elettrica da S.Pietro al bivio, a nord del vecchio viadotto sulla Valle Aurelia fu chiuso pochi mesi dopo, insieme alla linea per Vigna Clara e la linea aerea venne rimossa. Il 27 gennaio 1998, con la chiusura per lavori del tratto S.Pietro - Cesano viene riaperto e rielettrificato il tratto S.Pietro-nuovo bivio Pineto, da dove partono le autocorse sostitutive (resta invece chiuso ed in totale abbandono il restante tratto fino a Vigna Clara, in attesa del completamento dell'anello ferroviario tra Vigna Clara e Roma Smistamento). Se i tempi di termine lavori verranno rispettati, il 22 ottobre 1999 verrà riaperto il tratto Viterbo P.F.-Monte Mario, a trazione elettrica (la linea aerea sarà messa sotto tensione dal giorno 7-10-1999). Sempre secondo queste previsioni, entro il 24 dicembre 1999 verrà aperto anche il tratto Monte Mario - San Pietro, elettrificato e a doppio binario, e di conseguenza l'intera linea tornerebbe percorribile. Da questa data sarà di nuovo chiuso il tratto San Pietro - Pineto, in attesa del completamento dell'anello (se mai questo si farà)

Con la fine (entro Dicembre 1999) dei lavori il tratto urbano della ferrovia cambierà volto con nuove fermate (quelle già esistenti ristrutturate più alcune di nuova istituzione), nuovi treni (i TAF) e in parte un nuovo percorso. Infatti con il raddoppio ed elettrificazione si è provveduto ad interrare il tratto Balduina – Pineta Sacchetti riunendo così le due parti del quartiere prima tagliato in due dalla ferrovia.

Ecco come apparirà l'ingresso della nuova fermata di Balduina (la ferrovia corre in galleria e non più in trincea come prima)

Da Cesano a Viterbo la linea, pur rimanendo a binario singolo, sarà tutta elettrificata, anche se in un primo momento è previsto l’impiego dei TAF nel solo tratto urbano, e quindi il rischio è che a causa della cronica mancanza di mezzi che affligge le FS, e finchè non verranno consegnati tutti i TAF ordinati, il servizio tra Cesano e Viterbo continui ad essere affidato alle ormai superate Aln 668 (c’è da sperare che per lo meno il servizio sia affidato alle D445 con carrozze MDVC). Il 4-10-1999 è stata riaperta la stazione di Cesano di Roma. Per ora il servizio da Viterbo (ancora con ALn668) ha termine in questa stazione, in futuro sarà il terminale del servizio urbano da Roma Ostiense.

La stazione di Cesano è stata completamente ricostruita, dispone ora di tre binari passanti con marciapiede e uno di sosta. Le banchine, rialzate, sono raggiungibili attraverso scale mobili e ascensori.
Le sospensioni della catenaria sono a forma di portale, in color verde, e reggono contemporanemente tralicci con le pensiline dei marciapiedi. I manufatti sono rivestiti con mattonelle color rosso; le scritte del nome della fermata sono bianche con carettere tipo Arial, su targa blu lunga e stretta, senza margine bianco, e quindi diverso dallo standard FS. Il nome della stazione è riportato anche sull'esterno del fabbricato, con lettere a se stanti, color verde. Sul piazzale esterno è stato realizzato un ampio parcheggio di scambio. Queste caratteristiche sono comuni a tutte le nuove stazioni urbane della FM3. Mentre la fase di collaudo degli impianti di segnaletica è in pieno svolgimento, a partire dal 8-10-1999 circoleranno anche treni di prova sulla tratta Cesano-Monte Mario.

Salvo imprevisti, il servizio al pubblico su questa tratta dovrebbe essere aperto il 24-10-1999 (data non ancora confermata ufficialmente dalle FS). La tratta Monte Mario-S.Pietro dovrebbe aprire entro dicembre 1999. Intanto ci sarà un servizio sostitutivo con autobus fra Monte Mario e la nuova fermata della metro A 'Cipro', e uno fra Monte Mario e il tronco ferroviario di Pineto(-Ostiense).

Dalla ferrovia Roma – Viterbo si diramano varie linee: la prima, si dirama dalla stazione di Roma S. Pietro e arriva dopo circa 850 m nella stazione Vaticana, all'interno dello Stato della Città del Vaticano. Questa linea (o meglio raccordo) è stato costruito a partire dal 1929 (a seguito dei Patti Lateranensi) ed inaugurato il 2 Ottobre 1934. Questa ferrovia internazionale a doppio binario (anche se uno è stato adesso smantellato) attraversa V.le Gregorio VII e Via Aurelia sul viadotto del Gelsomino. Il raccordo è attualmente utilizzato per l'inoltro dei carri merci per la Città del Vaticano e per treni charter passeggeri straordinari (considerati comunque sempre come "merci"). In passato esistevano treni straordinari per il Papa (famosi i viaggi di Giovanni XXIII) anche se adesso ciò avviene molto di rado (alcuni anni fa vi fu un viaggio di Giovanni Paolo II a Roma Smistamento). Il raccordo dipende dalla stazione di Roma San Pietro, e le norme pe ril suo esercizio sono scritte nel Registro di Servizio di questa stazione. La stazione Vaticana, al fine dell'effettuazione dei treni merci, va abilitata dal C.R.T.M. (Capo Reparto Territoriale Movimento) di giurisdizione. Un altro raccordo esiste nei pressi della stazione di Monte Mario (Km 10+530) ma non è attualmente utilizzato. Altri raccordi esistevano nei pressi della stazione di Cesano di Roma (Km 27+820): uno a servizio delle locali caserme, dismesso e da tempo smantellato; ed un altro per il magazzino del Vaticano nell'area dei trasmettitori (a Cesano ci sono i trasmettitori della Radio Vaticana). Anche questo raccordo (internazionale, in quanto l'area dei trasmettitori è territorio della Città del Vaticano), da tempo fuori uso, è stato dismesso lo scorso anno. Dalla stazione di Capranica (Km 62+795) si dirama la ferrovia Civitavecchia – Orte, attualmente non in esercizio (anche se si parla di una sua riapertura, che non sembra lontana) nel tratto Civitavecchia – Capranica (il restante tratto è utilizzato come raccordo merci o per sporadici treni turistici). Esisteva anche un raccordo tra le stazioni di Viterbo Porta Fiorentina e Viterbo Nord (Cotral) ma attualmente non è utilizzato ed è stato parzialmente asfaltato. La sua riapertura permetterebbe di integrare le due linee permettendo ai treni Cotral di raggiungere anche la stazione di Viterbo Porta Romana. L’altro raccordo con la linea Cotral (ancora in esercizio) è situato nei pressi della stazione di Fabrica di Roma, sulla linea Capranica – Orte, e collega questa stazione con la stazione Fabrica di Roma Nord.

Dalla stazione di Viterbo Porta Fiornetina inizia anche la linea Viterbo - Attigliano (Km 39+062), elettrificata e a binario singolo, con le stazioni di Montefiascone, Grotte S. Stefano, Sipicciano S. Nicola, Sipicciano. Questa linea si innesta nella linea lenta Firenze - Roma nella stazione di Attigliano - Bomarzo, permettendo ai treni provenienti da Viterbo di raggiungere la stazione di Orte. Una coppia di treni al giorno è prolungata su Roma (D3283 e D3284 affidati alle ALe801/940)