La storia di questa linea ha inizio nella prima metà dell'Ottocento quando l'antico borgo di Colle val d'Elsa avverte la necessità di aumentare i traffici delle sue industrie affidandosi ad un sistema di trasporto più adeguato rispetto alle obsolete e lente dirigenze.
Nel 1845, con la stesura del progetto definitivo della Siena-Empoli, la città di Colle risulta stranamente tagliata fuori dal percorso della futura Strada Ferrata Centrale Toscana.
Nel 1858, i colligiani, essendosi resi conto del notevole sviluppo portato dalla S.F.C.T. ai comuni da essa toccati, cominciano ad invocare la ferrovia anche per la loro città.
Dopo due anni, nel 1860, le iniziative pubbliche e private, si concretizzano in due progetti simili.
Denominatore comune la necessità di costruire una diramazione delle grandi linee di traffico già esistenti, che metta in collegamento le Saline di Volterra con l'entroterra senese.
* Il primo studio prevede che la ferrovia partendo appunto dalle Saline tocchi Colle per poi allacciarsi alla S.F.C.T. presso Poggibonsi;
* il secondo, invece, consiste in una lunga diramazione per Colle, della ipotetica Saline di Volterra - Pontedera.
Devono passare però altri otto anni per i primi studi concreti sulla ferrovia.
A partire dal 1868, per circa un decennio, ci si da un gran da fare nella stesura di ben otto diversi progetti, tutti ostacolati da movimenti campanilistici.
Il primo studio serio, che non trova l'opposizione dei vari comuni della zona in lotta fra loro per portare la ferrovia in un paese piuttosto che in un'altro, è quello presentato nel 1881. Con questo progetto si rinunciò alla costruzione dell'intera linea fino a Saline e si incentrarono gli sforzi sulla breve tratta Colle - Poggibonsi. Si opta per il più economico scartamento ridotto e la realizzazione dell'opera viene così inclusa nel piano nazionale per la realizzazione delle linee secondarie.
Nel 1882, tuttavia, il progetto viene rivisto e si decide di armare la linea in scartamento normale.
Nello stesso anno il comune di Colle val d'Elsa riceve la concessione della breve tratta per novanta anni. Da qui la subconcessione per l'effettiva realizzazione e gestione della ferrovia che viene affidata alla neonata "Società Anonima Ferrovia Poggibonsi - Colle val d'Elsa", con sede a Milano.
La FCP avvia subito i lavori commissionando l'intero materiale necessario (armamento, rotabili, strutture ecc...) alla ditta belga Valere Mabille di Mariemont.
Dopo circa tre anni, per l'esattezza Domenica 29 Marzo 1885, avviene l'inaugurazione della linea alla presenza di numerose autorità locali e di illustri ospiti politici ed ecclesiastici.
Tre giorni dopo, il 1 Aprile 1885 la ferrovia viene aperta all'esercizio.
Pochi anni dopo l'apertura, la dirigenza della FCP riprende il vecchio progetto di collegamento alle Saline.
Nel 1906, effettuati vari studi e non trovando una soluzione fattibile per lo sviluppo verso la linea di Volterra, si teorizza l'allacciamento con la F.M.F. (Ferrovia Massa Follonica) presso Massa Marittima.
Dopo la Prima Guerra Mondiale però, tutti i progetti di prolungamento della linea vengono abbandonati.
Nel 1927 si cominciano ad avere i primi sentori di crisi per la F.C.P.; il bilancio si chiude in rosso e negli anni successivi non si riescono più a risanare le casse societarie, anche per colpa di eventi inattesi come la piena del 1928.
In una tempestosa nottata autunnale, difatti, un'incredibile piena dell'Elsa travolge il ponte alla progressiva km 4+749. E' il 28 Ottobre 1928.
Il rifacimento dell'opera d'arte grava pesantemente sulle già disastrate casse della F.C.P..
La situazione economica non migliora e nel 1931 per risollevare le sorti della gestione, si acquista un'automotrice aumentando in tal modo le corse. La mossa però non si rivela efficace per colpa dell'ulteriore contrazione del traffico.
La società riesce a sopravvivere adottando una gestione ai limiti della regolamentazione.
Per diminuire il forte deficit si cerca di licenziare parte del personale ma l'opposizione sindacale è fortissima ed irremovibile.
A questo punto si pensa di interrompere il servizio passeggeri e continuare il solo trasporto merci. Questa volta però, ad opporsi sono gli enti locali. Finalmente nel 1933 si trova l'accordo fra F.C.P. e comune di Colle. Con l'acquisto di una seconda automotrice dalla F.M.F. atta a migliorare la qualità del servizio, la subconcessionaria viene autorizzata a ridurre di un terzo le corse, che passano così da 14 a 5.
Nel frattempo con l'eliminazione di alcuni servizi, vengono licenziati diversi agenti. La società nonostante i gravosi debiti si impegna nell'acquisto, mai finalizzato, di due nuove automotrici e promette urgenti lavori di ristrutturazione per tutta la linea.
Purtroppo la situazione non migliora e la continua involuzione della ferrovia porta la F.C.P. a dichiarare il fallimento il 30 Marzo 1934.
Da questo momento comincia un'interminabile battaglia legale fra comune, FS e FCP con quest'ultima restia alla gestione statale della linea.
Tuttavia le FS prendono in concessione temporanea la piccola diramazione. Oltretutto si fanno carico delle spese per la ristrutturazione del ponte sull'Elsa, lo stesso crollato e poi ricostruito diversi anni prima.
Nel 1943 le FS diventano proprietarie delle strutture e del materiale rotabile FCP.
Poco dopo, nel 1944, a causa del conflitto mondiale sono costrette a chiudere la tratta fino al 1947.
Il 1 Agosto 1948, terminati i lavori di ricostruzione per i danni bellici subiti, il servizio riprende regolarmente.
Nel 1953 la linea passa definitivamente alle FS e nel 1959 il rimanente personale FCP viene aggregato a quello delle Ferrovie dello Stato.
Nel Giugno 1958 con la scomparsa dell'ultima 882 FS e l'avvento delle Aln 772 e D342, l'esercizio passa dal vapore alla trazione diesel.
Viene quindi sostituito tutto l'armamento con la posa di rotaie usate del tipo 36 RA.
Paradossalmente proprio in quegli anni, complice l'ennesima contrazione del traffico sulla linea, presso il ministero dei Trasporti si comincia a parlare di chiusura.
La crisi sembra addirittura irrimediabile già nel 1961. L'8 Maggio di quell'anno, il sindaco di Colle, dopo quattro anni di voci pessimiste riceve una lettera dalla direzione generale delle FS che fa intendere chiaramente il futuro della linea: "...sono in corso accertamenti intesi a valutare, sotto i diversi aspetti tecnico-organizzativi, economico e sociale, l'opportunità della soppressione totale o parziale dei servizi ferroviari......si assicura, comunque, che le esigenze della popolazione e degli operatori economici interessati saranno adeguatamente tutelate, predisponendo, in caso di chiusura della ferrovia idonei autoservizi sostituitivi viaggiatori con tariffe FS e continuando a svolgere il servizio merci."
Negli anni successivi anche il traffico merci si contrae e vengono meno molti dei merci di sabbia e pirite ad uso delle industrie colligiane. I carri movimentati diminuiscono sempre di più e anche il servizio passeggeri comincia a risentire della crisi.
Negli anni Settanta aumentano gli autoservizi sostituitivi e si riducono i treni.
Rimane un solo servizio merci feriale quale prolungamento del Siena-Empoli pomeridiano. La fine sembra ormai vicina quando nell'estate 1982 scompare il servizio ferroviario per i passeggeri. Vengono istituite numerose corse automobilistiche sostitutive ed anche il movimento delle merci si riduce ulteriormente. Rimane qualche sporadico treno a richiesta, con pochissimi carri.
La linea sta morendo ma le FS, il 2 Agosto 1985 annunciano di aver approvato una serie di lavori sulle tratte senesi. Tra le tante c'è anche una variante per la linea colligiana. Si tratta di un allacciamento a Staggia Senese per velocizzare i servizi verso Siena e di una variante atta a diminuire la lunghezza della tratta verso Poggibonsi. Il lavori non verranno mai terminati benché alcune importanti modifiche siano state apportate.
I fondi sono presto esauriti e la linea viene chiusa definitivamente nel Settembre 1987 con la scomparsa dell'ormai impercettibile traffico merci.
Tuttavia le FS decidono di non sopprimere la diramazione nonostante gran parte del tracciato sia ormai completamente abbandonato.
