El 28 de diciembre de 1919 se inauguró el tramo entre Rubí y Terrassa de los Ferrocarrils de la Generalitat de Cataluña. La historia de la línea Barcelona-Vallès se remonta en el año 1863, cuando el 23 de junio empezó a circular el primer tren de la Compañía del Ferrocarril de Barcelona en Sarriá, que aprovechó la eliminación de las murallas de la ciudad para extender una línea que conectara las dos villas, así como las de Gracia y Sant Gervasi. La línea salía de Plaza Cataluña, con ancho de vía ibérico de 1672 mm, locomotoras de vapor y a cielo abierto. A pesar del éxito, la compañía explotadora se había endeudado tanto que quebró el 1874 y fue absorbida por la nueva sociedad Ferrocarril de Sarriá en Barcelona.
Las reiteradas demandas de los vecinos del Eixample
El 18 de agosto de 1882, las reiteradas demandas de los vecinos del Eixample consiguieron la construcción y posta en servicio de una segunda estación en Barcelona, la de Provenza. El 1905 se reformaba toda la línea, adoptando el ancho de vía internacional de 1435 mm y electrificándola, con la compra de nuevos trenes eléctricos (tipos tranvía) y la retirada de la tracción a vapor. El 1907 el ferrocarril llegaba al pie de la montaña de Vallvidrera desde las Tres Torres en forma de tranvía por la calle Anglí, donde enlazaba con el funicular que desde 1906 subía a la cumbre de esta.
El 1908 se pondría en servicio la estación de Muntaner. Durante 1907 el ingeniero Carles Emili Montañés realizó con éxito un enlace ferroviario eléctrico entre Sarriá y el Vallès a través de la montaña, aprovechando un colector de aguas del pantano de Vallvidrera, el Mina Grott. La gran cantidad de viajeros que transportó el carrilet demostró la rentabilidad que se derivaría de integrarlo en una gran línea de pasajeros. Así, Montañés planteó al financiero norteamericano Frank S. Pearson, la compra del ferrocarril de Barcelona en Sarriá y su perllongament, en una primera etapa, hasta Sant Cugat del Vallès. El 1912 se constituyó la sociedad Ferrocarriles de Cataluña. El 28 de noviembre de 1916 se inaugura el tramo de Sarriá en Las Planes, que incluye el nuevo túnel bajo la sierra de Collserola. El 26 de octubre de 1917 se inauguró el tramo hasta Sant Cugat. Entre Sarriá y Sant Cugat la línea se construyó ya con vía doble.
El 13 de septiembre de 1918 el tren se prolongaba de Sant Cugat a Rubí y el 28 de diciembre de 1919 llega a Terrassa. El 1 de junio de 1922 se abre el ramal de Sant Cugat a Sabadell Estació. El 21 de septiembre de 1925 entra en servicio el túnel hasta Sabadell Rambla. El 1925 también se inauguraba el de La Floresta. Durante estos años se pusieron en servicio trenes de mayor capacidad, como son los conocidos Brill, sustituyéndose también los tranvías del tramo Barcelona- Sarriá por trenes más rápidos. El 1929 se soterraban las vías desde Plaza Cataluña hasta Muntaner. El 1931 se completó este tramo sepultado, puesto que hasta entonces faltaba completar todavía la vía descendente en Sant Gervasi, y el túnel llegaba ya hasta la entrada de la estación de Muntaner. El 1930 se había abierto la estación de Bellaterra.
A finales años 40 y durante 30 años se pondrían gradualmente en servicio los entrañables automotores 400-500, popularmente conocidos como «granotes»; estos, con sucesivas reformas y mejoras circularían hasta el año 1996. El 1948 se abría la estación de Mira-sol. El 1952 se ponían en servicio las estaciones subterráneas de la Bonanova y las Tres Torres y el 1953 la estación subterránea de Muntaner. El 1 de enero de 1954 se inauguró el ramal entre Gracia y Avenida Tibidabo, aprovechando el túnel construido inicialmente por tranvías por parte del ayuntamiento entre plaza Molina y Avenida Tibidabo en veinte. También se ponían en servicio los nuevos automotores serie 600, conocidos como «pericos».
El 1965 se inauguraba la estación de San Juan
El 1959 se inauguraba la segunda nave de la estación de Plaza Cataluña. El 1965 se inauguraba la estación de San Juan, que ya llevaba unos años funcionando de manera provisional. El 5 de octubre de 1974 entraba en servicio la estación subterránea de Sarriá y el ramal hasta Reina Elisenda; el 1976 se inauguraban las obras completas de la estación y el ramal. Desde el fin de la guerra civil y durando casi 40 años, la empresa arrastraba una precaria situación económica y quebró el 1977. Desde entonces y hasta la creación de Ferrocarriles de la Generalitat de Cataluña, la compañía estatal FEVE (Ferrocarriles Españoles de Vía Estrecha) se hizo cargo de la línea. El año 1979 la línea se integró a Ferrocarriles de la Generalitat de Cataluña (FGC) con mejoras constantes en la red. El 1983 entraron en servicio las primeras unidades de tren de la serie 111, que comenzaron el proceso de modernización a la línea.
El 8 de octubre de 1984 se puso en funcionamiento el ramal de vía única de Bellaterra en la Universidad Autónoma. El 1985 se completa la doble vía de Sant Cugat en Bellaterra y la nueva estación de Hospital General, acabando el 1987 el doblament de vía entre Sant Cugat y Rubí. El 10 de marzo de 1987 se inaugura el soterramiento y nueva estación de Terrassa. A partir de 1988 se adaptaron algunos automotores 400 «ranas» a 4 coches, alargando también los andenes a las estaciones. El 1991 se iniciaban las obras de semi-soterramiento de la estación de Rubí, con un desvío de la línea y estación provisionales. El 1993 se completaba lo semi-soterramiento de Rubí y la vía doble de Rubí en Terrassa. El mismo año se hacía la remodelación integral de Sabadell Estación. El 15 de septiembre de 1995 se desdoblava la vía entre Bellaterra y Universidad Autónoma, integrando el fines entonces ramal a la línea principal con el nuevo tramo de doble vía hacia Sant Quirze. La conexión directa entre Bellaterra y Sant Quirze dejaba de prestar servicio. Como punto culminante, en 1996 junto con las 16 nuevas unidades de la serie 112, entró en servicio el llamado Metro del Vallès que permite que en horas punta haya trenes cada 12 minutos entre Barcelona y Terrassa y Sabadell. El año 2003 se incorporaron al servicio 6 unidades más de la serie 112 y se realizaron mejoras que permiten que haya hasta 33 trenes por hora y sentido entre Pl.Cataluña y Gracia. El 2004 se completaba la cubrición de las vías al tramo de trinchera de Rubí. El junio de 2010 se ponía en servicio la estación de Volpelleres, entre Sant Cugat y Sant Joan, que permite el intercambio con los trenes de Rodalies de la línea R8 (entonces la R7).
El 2014 se ponen en servicio las nuevas unidades serie 113 y 114 para sustituir las unidades 111, aportando por primera vez el paso diáfano entre coches del tren. El 28 de julio de 2015 se inaugura y el 29 entra en servicio por primera vez desde 1984 un nuevo tramo de línea, después de 12 años de obras, con el perllongament entre Terrassa Rambla y Terrassa Naciones Unidas, con una estación al campus universitario, una de intercambio con Rodalies y una última en el norte de la ciudad.
