La construction de la ligne a débuté en 1903. Deux hommes en sont à l'origine: Jules Lax, ingénieur des ponts et chaussées et directeur du service du contrôle à la compagnie du Midi et Emmanuel Brousse, élu conseiller général en 1898. Un grave accident survient le sur le pont suspendu de la Cassagne. Lors des essais de charge la rame chute, provoquant la mort de 6 personnes. Le concepteur du pont, le commandant Gisclard, est victime de cet accident, le pont porte aujourd'hui son nom. L'inauguration du tronçon de Villefranche à Mont-Louis a lieu le et celle de Mont-Louis à Bourg-Madame le . La ligne est prolongée jusqu'à Latour-de-Carol le permettant la jonction avec le réseau espagnol. Le la ligne allant d'Ax-les-Thermes à Latour-de-Carol est achevée, permettant l'arrivée de trains depuis Toulouse. La ligne présente beaucoup de similitudes techniques avec la ligne de Saint Gervais à Vallorcine, construite à la même époque (écartement métrique, simple adhérence, alimentation électrique par troisième rail, en particulier).