Seit dem Jahr 1885 gab es verschiedene Projekte für Lokalbahnen zwischen Mauthausen und Grein bzw. Krems. Das Projekt von 1893 (Krems - Grein) erhielt 1898 die Vorkonzession und erst im Jahr 1905 erhielt man, nach Finanzierungsproblemen, die Konzession für die Bahnlinie Krems - Grein-Bad Kreuzen. Verschiedenste Verknüpfungsvarianten von der Eisenbahn Zwettl-Martinsberg zur Donau sowie geplante Zahnradbahnen nach Maria Taferl und auf den Jauerling kamen nicht zu Ausführung. Im Jahre 1907 wurde mit dem Bau der Lokalbahn Krems-Grein begonnen und am 2. Dezember 1909 konnte der Betrieb der 77,06 km langen Lokalbahn in feierlichem Rahmen aufgenommen werden. Die ersten Regelzüge verkehrten ab 4. Dezember 1909.

Da die Betriebsführung mit vielen besetzten Bahnhöfen aufwendig war, wurden seitens der ÖBB Überlegungen für einen modernen und personalsparenden Betrieb einer Nebenbahn angedacht. Somit wurde 1983 im Abschnitt Krems - Grein erstmalig auf einer Normalspurbahn in Österreich der Zugleitbetrieb eingeführt und die Bahnhöfe mit Rückfallweichen ausgestattet. Seither wird der Bahnbetrieb von den Zugleitbahnhöfen Spitz und Grein gesteuert.

Mit der Einführung des Neuen-Austro-Taktes (NAT) 1991 wurde das Angebot deutlich ausgeweitet und es verkehrten Züge im 2-Stundentakt über die Gesamtstrecke. Im Jahr 1994 wurde der Fahrplan jedoch wieder neu gestaltet und die Anzahl der Züge zwischen Emmersdorf und Grein auf 3 Zugpaare beschränkt.
Seit Dezember 2004 wurde aus Frequenzgründen der Grotßeil der Bahnverbindungen zwischen Spitz und Emmersdorf auf Busbetrieb umgestellt. Ein Jahr später, am 09.02.06, musste die Strecke beim Steinbruch in Spitz gesperrt werden. Durch intensive Bemühungen seitens des Landes NÖ gelang es den Steinbruch durch Errichtung eines Schutzwalls abzusichern. Somit konnte am 07.05.07 der Verkehr wieder aufgenommen werden. Leider wurde am 07.09.07, nach starken Regenfällen, der Streckenabschnitt erneut bis 30.04.08 gesperrt.
Eine touristisches Verkehrskonzept "Donauwiesel", welches unter anderem Touristikzüge in der Relation Wien - Wachau - Linz vorsah, wurde im Jahr 2007 von der NÖ VerkehrsorganisationsGesmbH präsentiert. Aus finanziellen Gründen konnte jedoch dieses Erfolg versprechende Konzept nicht umgesetzt werden. Somit war die Zukunft der Donauuferbahn im Abschnitt Krems - Grein weiterhin ungewiss.
Am 07.07.09 unterbrach ein Felssturz bei Dürnstein die Donauuferstrecke und der Zugverkehr ruhte im Abschnitt Dürnstein - Spitz bis 12.12.09. Da seitens ÖBB Infrastruktur für den Fahrplan 2010 im Abschnitt Emmersdorf - Sarmingstein keine Trassen mehr zugewiesen wurden, verkehrte der allerletzte Personenzug in diesem Abschnitt am 04.10.09. Zwischen Krems und Emmersdorf wurde hingegen der Zugverkehr per 13.12.09 wieder aufgenommen. Aufgrund des hohen Frachtanfalls verkehrt noch bis Ende 2010 ein Güterzugspaar von OÖ bis Klein Pöchlarn.
Mit Umsetzung des neuen Mobilitätskonzeptes in der Wachau ab Frühjahr 2011 wird auch der gesamte Regelbetrieb zwischen Krems und Emmersdorf eingestellt. Für diesen Abschnitt ist eine Nachnutzung im Touristikverkehr während der Sommersaison angedacht.

Infrastrukturmäßig befindet sich die Strecke leider in einem sehr schlechten Zustand, da es in den letzen Jahren verabsäumt wurde, die Gleisanlagen umfassend zu sanieren. So weist die Bahnlinie zahlreiche Langsamfahrstellen (ca. 30 km) auf, welche auf der Gesamtstrecke zu massiven Fahrzeitverlängerungen führen. Hingegen im sanierten Streckenabschnitt Krems - Spitz kann sich die Bahn mit kurzen Reisezeiten gegenüber Auto und Bus gut behaupten.