มีการก่อสร้างทางรถไฟสายใต้ครั้งแรกเมื่อปี พ.ศ. 2452[5] และเริ่มมีการสร้างสถานีรถไฟกันตัง (ขณะนั้นใช้ชื่อว่าสถานีรถไฟตรัง) เพื่ออำนวยความสะดวกในการก่อสร้างทางรถไฟสายใต้ จากนั้นจึงมีการสร้างท่าเรือกันตังสำหรับใช้ในการขนส่งเพราะติดชายฝั่งทะเลอันดามัน และสร้างโรงงานประกอบรถจักรและล้อเลื่อนสำหรับใช้ในการก่อสร้างทางรถไฟสายใต้[5] เบื้องต้นได้แบ่งการเดินรถออกเป็นสองช่วงคือสถานีรถไฟกันตัง–ห้วยยอด ระยะทาง 49 กิโลเมตร เปิดใช้งานครั้งแรกเมื่อวันที่ 1 เมษายน พ.ศ. 2456[1][2][3][5] และจากสถานีรถไฟห้วยยอด–ชุมทางทุ่งสง ระยะทาง 44 กิโลเมตร เดินรถเมื่อวันที่ 1 มกราคม พ.ศ. 2456[5] รวมมีระยะทางทั้งหมด 92.802 กิโลเมตรเมื่อนับจากสถานีรถไฟชุมทางทุ่งสง[4] ถือเป็นเส้นทางรถไฟที่เก่าแก่สายหนึ่ง[3]

ทางรถไฟสายนี้มีสถานีปลายทางคือสถานีรถไฟตรัง ต่อมาได้มีการย้ายตัวเมืองไปที่ตำบลทับเที่ยง สถานีรถไฟตรังจึงเปลี่ยนชื่อเป็นสถานีรถไฟกันตัง ส่วนสถานีรถไฟทับเที่ยงซึ่งเป็นที่ตั้งของตัวเมืองใหม่ก็เปลี่ยนชื่อเป็นสถานีรถไฟตรังมาจนถึงปัจจุบัน[3] ในอดีตบริเวณสถานีรถไฟกันตัง มีรางรถไฟอีก 500 เมตรมุ่งสู่ท่าเทียบเรือกันตัง[2][3] จากการที่สถานีรถไฟกันตังตั้งอยู่ใกล้กับท่าเรือกันตัง จึงใช้สำหรับรับสินค้าจากต่างประเทศ โดยเฉพาะอย่างยิ่งจากยุโรป เช่น ประเทศเยอรมนี, สหราชอาณาจักร, สหรัฐ และอินเดีย[3] โดยมากเป็นวัสดุสำหรับก่อสร้างและล้อเลื่อนที่สั่งมาจากต่างประเทศ[5] ทั้งนี้ท่าเรือกันตังมีการส่งต่อสินค้าอาทิ ยางพารา ไม้ยางพารา ยิปซัม และปูนซีเมนต์ไปยังท่าเรือปีนังเป็นสินค้าขาออกอย่างเดียว โดยสินค้าจะส่งต่อไปยังประเทศต่าง ๆ[5] แต่ภายหลังรัฐบาลไทยหันไปนำเข้าสินค้าจากญี่ปุ่นแทนยุโรป ทำให้ท่าเรือกันตังซบเซาจนต้องยกเลิกกิจการขนส่งสินค้าจากท่าเรือกันตัง[3] ปัจจุบันรางรถไฟที่มุ่งไปยังท่าเรือกันตังจึงถูกชาวบ้านรุกล้ำ[2][3][5]

สิ่งที่พิเศษอย่างหนึ่งของทางรถไฟสายนี้คืออาคารของสถานีรถไฟกันตัง ที่ยังคงรูปแบบสถาปัตยกรรมที่เป็นเอกลักษณ์ดั้งเดิมเหมือนตั้งแต่แรกสร้าง ตัวอาคารสร้างด้วยไม้ชั้นเดียวผสานอิทธิพลตะวันออกและตะวันตก หลังคาเป็นรูปปั้นหยาผสมหลังคาจั่ว ผนังมีสีเหลืองมัสตาร์ด ตัดกับสีน้ำตาลจากขอบหน้าต่าง ขอบประตู เสา และคาน[1][3] จากความโดดเด่นดังกล่าวทำให้สถานีแห่งนี้ขึ้นทะเบียนเป็นโบราณสถานโดยกรมศิลปากร[2][6]