Nel 1900 fu progettata una linea che, attraverso la Valdera, avrebbe dovuto collegare Lucca (sulla linea ferroviaria Firenze-Viareggio) e Pontedera (sulla Firenze-Pisa) con Saline di Volterra, sulla linea Cecina-Volterra.
La costruzione della Lucca-Pontedera fu resa possibile dalla cosiddetta Legge Bonomi del 1919 che puntava alla costruzione di ferrovie locali già concesse che non avevano potuto essere cantierizzate a causa della prima guerra mondiale. Il Decreto Reale n. 694 dell’11 maggio 1920 autorizzò dunque la concessione, per la costruzione dell’opera, prevedendo l’esercizio da parte dello Stato.
Il progetto particolareggiato della linea, lunga 25,3 km, fu presentato il 10 agosto 1920 dalla Ditta Saverio Parisi e fu approvato con voto n. 2679 del 18 agosto 1921 da parte del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici. Stipulata la concessione il 6 maggio 1922 i lavori cominciarono a metà del mese stesso, diretti dagli ingegneri Guido Giannotti e Sighieri, per concludersi, come da relativo verbale di accertamento, il 23 aprile 1926. L’inaugurazione avvenne nel 1928 e, come per molte opere dell’epoca, quale data fu scelto il giorno 28 ottobre.
Nella primavera del 1944 pesanti bombardamenti danneggiarono gravemente la linea, rendendola inutilizzabile soprattutto per la distruzione del ponte sull’Arno; la linea fu dunque dichiarata fuori servizio. Dapprima sembrò che le FS avessero intenzione a ripristinarla, ma le rotaie furono utilizzate per ripristinare le ferrovie vicine, come la Firenze-Pisa e la Firenze-Lucca-Viareggio.
Il notevole incremento del trasporto su gomma a scapito di quello su rotaia fece poi abbandonare sia il progetto dell’intera linea, che nelle intenzioni iniziali avrebbe dovuto proseguire fino a Saline di Volterra, sia il ripristino del tratto Lucca-Pontedera, ritenuto troppo oneroso per quello che fu considerato un “ramo secco”. La sospensione ufficiale fu disposta dal Decreto del Ministro dei Trasporti Angelini in data 21 febbraio 1958 e la soppressione sancita con il Decreto Presidenziale n. 1037 del 14 ottobre dello stesso anno[1], con successivo smantellamento della linea.