Do końca lat 20. XX wieku, czyli do wybudowania najkrótszego połączenia Poznania z Warszawą (przez Konin), wszystkie pociągi łączące zachodnią Europę z Warszawą kursowały na odcinku Poznań – Warszawa przez Gniezno, Inowrocław, Toruń i Kutno. Do zakończenia magistrali węglowej (Śląsk – port w Gdyni, 1930 r.) linia stanowiła też ważną drogę wywozu polskiego węgla do portów bałtyckich.
W 1984 roku linię zelektryfikowano na odcinku Kutno – Toruń – Bydgoszcz, a w 1989 roku zakończono elektryfikację odcinka Bydgoszcz – Piła.
19 sierpnia 1980 roku na odcinku między Toruniem Głównym a Aleksandrowem Kujawskim miała miejsce największa w historii powojennej Polski katastrofa kolejowa pod Otłoczynem.
W drugiej połowie 2012 roku ruszyła modernizacja linii na odcinku Bydgoszcz – Toruń, która zakończyła się na początku marca 2014 roku. W trakcie dwuletnich prac wyremontowano zostało 92 km torów i 18 przejazdów kolejowo-drogowych. Zamontowano 54 nowych rozjazdów na stacjach Toruń Główny, Cierpice, Solec Kujawski, Bydgoszcz Łęgnowo, Bydgoszcz Wschód oraz Bydgoszcz Leśna. Wymienione zostały również urządzenia sterowania ruchem kolejowym oraz systemy zasilające.