El antiguo ramal del ferrocarril de Valparaíso a Santiago entregaba una conexión entre la ciudad de Santiago y el principal puerto del país, en su recorrido entrega servicios a sectores apartados de las Regiones de Santiago y Valparaíso, además de permitir la conexión con servicios de la Red Norte de Ferrocarriles y el Ferrocarril Transandino.
Actualmente su uso está destinado a trenes de carga, desde Santiago y Valparaíso, por Ferrocarril del Pacífico.
El éxito del ferrocarril de Copiapó a Caldera estimuló otro proyecto fundamental que consistía en unir mediante ferrocarril la capital nacional Santiago con el puerto de Valparaíso, pero en esta obra las dificultades resultaron enormes. En 1842, William Wheelwright presenta un proyecto para unir por tren Santiago y Valparaíso.
El congreso nacional aprobó el proyecto finalmente en 1849 y le otorga a Wheelwright el derecho exclusivo por treinta años para la construcción y explotación del ferrocarril.
La construcción se inició en 1852. La cordillera de la costa establece una abrupta y extensa muralla que separa a las dos ciudades, por lo que fue necesario recurrir a viaductos, zanjas y terraplenes que sirvieran para aminorar las fuertes pendientes del trazado; y aun así el trazado tuvo que afrontar un gran rodeo por el norte pasando por La Calera y Quillota, para llegar hasta Valparaíso, dando así como resultado un trazado en forma de herradura.
Los enormes costos de la obra hicieron desistir a los empresarios involucrados, de manera que fue el gobierno de Manuel Montt el que concluyó los trabajos del ferrocarril. En 1855, el ramal ferroviario iniciado en Valparaíso llegaba a Viña del Mar después de la difícil tarea de romper el acantilado costero y realizar el gran corte de terreno que permitiría pasar junto al cerro Castillo.
A partir de 1862, Santiago quedó unido con Valparaíso por línea férrea, si bien los trenes no se pusieron en funcionamiento hasta el año siguiente y solo en el tramo de Santiago a Quillota.
La inauguración oficial del ferrocarril de Valparaíso a Santiago se realizó el 14 de septiembre de 1863. Pero poco después, en 1864, el contratista estadounidense Henry Meiggs entregaba al Estado chileno la sección de Quillota a Valparaíso, y así la capital de Chile estuvo unida al principal puerto del país.
Más tarde, se construyó un ramal hacia Los Andes. En 1870 éste llegó a San Felipe y en 1874 a Los Andes. Este sería luego el punto de conexión con el Ferrocarril Trasandino Los Andes-Mendoza en 1910.
En 1921 se inició la instalación de postes para permitir el uso de trenes eléctricos. El sistema utilizaba corriente continua a 3000 volts. Para ello se instalaron subestaciones rectificadoras a distancias de aproximadamente 40 km, alimentadas desde la red pública. El 10 de octubre de 1924 comenzó a operar el primer tren eléctrico en el país, con la consecuente disminución de los tiempos de viaje y la reducción de costos operativos.
La apertura del túnel Lo Prado significó una reducción importante del tiempo de viaje entre Santiago y Valparaíso para autos y buses. Progresivamente esta alternativa fue reemplazando al tren.
En 1986, después del accidente ferroviario de Queronque, la empresa de ferrocarriles decide suspender temporalmente el servicio directo. Al año siguiente, se clausuró la estación Mapocho después de una fallida remodelación, lo que produjo el abandono del servicio hasta 1991.
Un fallido intento de reapertura ocurrió el 3 de enero de 1992, cuando el servicio fue reabierto entre Puerto y Alameda, a la espera de la reacción de los potenciales pasajeros. Funcionaría con salidas diarias desde ambos extremos, y un aumento del servicio en fines de semana. Sin embargo, no hubo afluencia de pasajeros, que se habían volcado definitivamente al uso de buses, y el servicio fue clausurado definitivamente el 8 de marzo del mismo año.
Las estaciones que poseía entre los años 1855 y 1992 son las siguientes:
Desde finales de la década de 1990 han existido proyectos con los cuales recuperar la conexión férrea entre la ciudad de Santiago y el Gran Valparaíso, utilizando la ruta que actualmente existe. La conexión entre estas ciudades es importante debido a la posibilidad de un sistema de transporte de carga eficiente entre los puertos de San Antonio y de Valparaíso con Santiago y el resto del centro-sur del país.
En 2015 la Empresa de los Ferrocarriles del Estado realizó un estudio de prefactibilidad en el cual se señala que el costo de la construcción de una línea férrea que reutilice la actual vía férrea, conectando estas ciudades costaría cerca de $4.300 millones de dólares. A 2016, EFE había propuesto tres posibles rutas que una línea férrea puede seguir.
Sin embargo, en enero de 2018 el consorcio internacional chino-chileno TVS, integrado por la multinacional China Railways Group Limited, Latinoamérica Infraestructura y Sigdo Koppers propone el proyecto ferroviario "Tren Valparaiso-Santiago" (o TVS); el proyecto tiene como objetivo conectar a las dos mayores urbes de Chile por medio de un tren de alta velocidad en 45 minutos. Este proyecto tiene como trazado de pasajeros la estación Del Sol del Metro de Santiago, avanzando por la comuna de Casablanca y teniendo una estación en Viña del Mar y otra intermodal en Valparaíso con la estación Barón del Metro de Valparaíso. El proyecto además contempla una red secundaría dedicada al transporte de carga que llegue hasta estación Talagante usando el ramal que conecta con la estación Paine, yéndose en paralelo con la línea de pasajeros, para luego cruzar el ramal Santiago-Cartagena por medio de un nuevo túnel en Puangue y, usando una nueva línea férrea, llegar hasta el puerto de San Antonio. Se tiene proyectado que el costo de este sistema ferroviario sea de $2.400 millones de dólares. El proyecto ha tenido una reacción positiva por parte del mundo político y social.
Debido a que este es un proyecto que proviene desde privados, este debe pasar primero por un proceso de licitación acordado en la ley de concesiones para que la construcción sea aprobada por el estado.[cita requerida]
Sin embargo, el 26 de abril de 2019 el gobierno anunció una segunda propuesta de tren que una Santiago con valparaíso. El proyecto presentado por el consorcio conformado por las empresas Agunsa, FCC y Talgo contaría con la inversión de $1.600 millones de dólares, el cual tiene como ruta la construcción de una estación de ferrocarriles en la estación Mapocho, extendiéndose hacia el norte alcanzando el Aeropuerto Internacional Arturo Merino Benítez, conectando a la comuna de Lampa, para luego volver a conectarse a la línea de ferrocarril original en estación Til Til y llegando hasta Valparaíso. Este proyecto además tiene la intención de construir un ramal que conecte a la estación Limache con Ventanas.
Durante la cuenta pública de junio de 2019 del presidente Sebastián Piñera anunció que la construcción de un ferrocarril que conecte a Santiago y Valparaíso entrará a una licitación internacional.
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