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 9.2.06, 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 7.5.07 der Verkehr wieder aufgenommen werden. Leider wurde am 7.9.07, nach starken Regenfällen, der Streckenabschnitt erneut gesperrt. Nach Beseitigung des Lockergesteins konnten ab 1.5.08 die Züge wieder planmäßig verkehren.
Um die Donauuferbahn auch in eine erfolgreiche Zukunft zu führen, wurde vom Land NÖ ein neues touristisches Verkehrskonzept "Donauwiesel" erarbeitet, welches unter anderem Touristik-züge in der Relation Wien - Wachau - Linz vorsieht.

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 weißt die Bahnlinie zahlreiche Langsamfahrstellen (ca. 30 km) auf, welche auf der Gesamtstrecke zu massiven Fahrzeitverlängerungen führen. In der Folge nahm ÖBB Infrastruktur für 2010 keine Trassen mehr zwischen Emmersdorf und Sarmingstein entgegen, wodurch der letzte durchgehende Personenzug am 4.10.09 verkehrte.