1870 wurde die Konzession erteilt, jedoch dauerten die Vorbereitungen zum Bau der Bahn knapp 10 Jahre. Erst 1880 konnte dieser begonnen werden, doch bereits im selben Jahr wurde die Bahn dann eröffnet. Die Finanzierung der Baukosten (370 000 SFr) wurde durch die Gemeinden, die Centralbahn, Private und eine Garantieleistung des Kantons gewährleistet.

Im Laufe der folgenden 70 Jahre wurde der Betrieb von insgesamt 8 Dampflokomotiven durchgeführt, die bis auf die Nr. 3 in der Schweizerischen Lokomotiv- und Maschinenfabrik Winterthur (SLM) gebaut wurden. Nach der Elektrifizierung wurden zwei Loks, Nr. 6 "Waldenburg" und Nr. 5 "Gedeon Thommen" als Denkmäler aufgestellt. Zum 100-Jahr-Jubiläum 1980 wurde die "Gedeon Thommen" reaktiviert und von einer Arbeitsgruppe in betriebsfähigen Zustand gestellt. Seitdem führt sie regelmässig die begehrten Dampfzüge auf der Strecke.

Die Linienführung wurde im Laufe der Jahre mehrfach geändert. Immer mehr Abschnitte wurden auf ein eigenes Trassee verlegt, auch die Bahnhöfe erfuhren wesentliche Modernisierungen. Mit der lang diskutierten Elektrifikation 1953 wurden 3 Triebwagen BDe 4/4 I beschafft, die den täglichen Verkehr versahen. Sie sind mittlerweile durch die 1985 beschafften BDe 4/4 und die dazugehörenden Steuerwagen ersetzt.

Hinter Altmarkt verläßt die Bahn die SBB-Strecke und schwenkt ins Waldenburgertal ein. Bis zur Endstation Waldenburg folgt sie der Kantonsstraße, zumeist auf eigenem Bahnkörper. Nur einige Ortdurchfahrten liegen noch auf der Straße. Zweimal wechselt die Linie über diese, und zwar bei Hölstein und in Niederdorf. Der Sitz der Bahn liegt in Waldenburg, hier sind auch die Depotanlagen und die Werkstatt zu finden.

Der Betrieb auf der Waldenburgerbahn wird heute mit den neuen Pendelzügen bewältigt, die aus einem BDe 4/4 II und einem Steuerwagen Bt bestehen. Die Triebwagen basieren auf denen der Forchbahn und der Zürcher Tram 2000. Die Kompositionen können zusätzlich in Mehrfachtraktion eingesetzt werden.