1901年8月25日，臺灣鐵路淡水線（俗稱北淡線）通車，當時包括新落成的第二代臺北車站（那時候叫做「臺北停車場」）在內，總共有8個車站啟用。
1902年2月1日，「大稻埕驛」新建完成，1903年開始成為淡水線的新起訖站。
到了1915年，淡水線又新設了5個車站，其中的「宮ノ下乘降場」是為了方便民眾前往圓山上的臺灣神社（今 圓山大飯店址）參拜而特別設置的。
1916年8月17日大稻埕驛變更為貨運站，於是起訖站改為同日設立的北門乘降場。北門乘降場只是「名義上」的起訖站，於1923年3月6日廢除，正式確立以臺北車站為起訖站。
隨著淡水河口泥沙淤積日益嚴重，已經不適合較大船隻航行，加上基隆港整建完成後吞吐量大增，淡水港因此加速沒落。
這時候，客運已經成為淡水線的運輸主力，另外，從淡水線分歧、方便民眾前往溫泉休閒區的新北投線，亦於1916年通車。在當時道路運輸不甚便利的情形下，淡水線仍然得以在最初運輸目的轉變後繼續營運。
到了戰後，有著明顯日式名稱的「大正街」與「宮ノ下」兩站分別被更名為「長安」與「劍潭」，後來這兩個招呼站皆被廢除；同時期又另外新設「王家廟」與「忠義」兩站。
自此以後，包括戰前新設的「竹圍」在內，淡水線維持全線11個車站，依舊繼續營運。
淡水線的11個車站由南至北依序為：臺北、雙連、圓山、士林、石牌、王家廟、北投、忠義、關渡、竹圍、淡水，其中王家廟和忠義為招呼站（招呼站為僅設有候車月臺而無站員，且不辦理行車業務之車站，招呼站並沒有售票處，需直接向列車長購票，或事先購買來回票）。
隨著道路運輸的逐漸拓展，淡水線的客運上重要性與優勢也跟著被削弱，加上1970年代私人車輛的快速成長，更加速了淡水線客運的衰落。
1970年代末提出的「臺北都會區大眾捷運系統計畫」，將淡水線改建為捷運路線；該計畫後來雖經過數度修正，但關於改建淡水線的部份並沒有太大改變。另外還有直接將原路線高架化與電氣化、改建四線道高速公路、佈設公車專用道等方案。
1979年，因應北投至關渡間道路運量日增之需求，1966年闢建完成的大度路開始進行拓寬工程，將路基墊高約兩公尺，並把路面擴寬約60公尺，於1984年4月竣工。
1986年，行政院經建會正式通過改建捷運計畫，淡水線確定走向結束營業的命運。
1988年7月15日，為淡水線的營運最終日，大批民眾前往搭乘，作最後的紀念。當晚23:20，最後一班往淡水的列車自臺北站第六月臺發車後，淡水線長達87年的營運宣告終止；翌日（1988年7月16日）配合「淡水最後一班列車」活動再加開一班列車後，淡水線正式停駛、走入歷史。之後幾年，淡水線的平面軌道與場站逐步被一一拆除，並興建高運量捷運系統，而臺北至淡水間的大眾運輸則暫由公路客運承接。
1997年3月28日，臺北捷運淡水線正式通車，成為臺灣第一條由傳統鐵路改建而成的捷運路線。
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