L'apertura del primo tronco di questa ferrovia a vapore risale al 1904 quando la Società Ferroviaria Novara-Seregno costruì la linea Castellanza-Cairate-Lonate Ceppino di 10,52 Km. Oltre alle stazioni di Castellanza vennero realizzate le fermate di Marnate, Prospiano e le stazioni di Gorla Minore, Solbiate Olona, Gorla Maggiore, Fagnano Olona, Cairate, Lonate Ceppino.
La Ferrovia della Valmorea avrebbe messo in comunicazione i maggiori centri industriali del Varesotto con la Svizzera attraversando la Valle dell'Olona e del torrente Lanza.
L'importanza della linea risiedeva soprattutto nel servizio di trasporto merci in una zona in cui, grazie alla vicinanza del fiume Olona, era avvenuta la localizzazione di industrie tessili quali il Cotonificio di Solbiate e lo stabilimento Candiani in prossimità del quale venne realizzata un'apposita fermata.
Nel 1913 fu approvata la Convenzione per il prolungamento della ferrovia da Cairate-Lonate Ceppino al confine svizzero. I lavori di costruzione vennero iniziati prima del conflitto mondiale ma, nel 1916, fu aperto solo il primo tratto che terminava a Valmorea. Esso si sviluppava fino a Malnate nella Valle dell'Olona costeggiando in più tratti questo fiume e, da Malnate a Valmorea, seguendo il torrente Lanza. Sul suo percorso si trovavano le stazioni e fermate di Gornate Olona, Castiglione Olona, Lozza, Ponte Vedano, Bizzozzero, Malnate, Cantello e Valmorea.
Con il 1° gennaio 1918 l'esercizio della ferrovia di Valmorea passò alla Società anonima Ferrovie Nord Milano. A causa del conflitto mondiale, fu ultimato ed aperto solo nel 1926 il tronco terminale vero e proprio di circa 2 km che univa la stazione di Valmorea al confine svizzero dove si allacciava al tratto Stabio-Mendrisio nel territorio della Confederazione Elvetica.
La linea ferroviaria così costituita diventava una via di comunicazione internazionale. Essa dava origine ad un nuovo accesso dall'Italia al Gottardo e l'importanza che veniva ad assumere nei riguardi dei due Paesi interessati fu riconosciuta dai rispettivi governi che, con apposita convenzione, si impegnarono ad assicurarne l'esercizio. Tuttavia, per la scarsità del traffico nel tratto svizzero, dovuta principalmente al negato instradamento delle merci da parte delle Ferrovie dello Stato italiano dal transito di Valmorea, tale linea venne chiusa all'esercizio nel 1928. Per diretta conseguenza fu sospeso il tronco terminale da Valmorea al confine su territorio italiano.
Nel novembre 1938 venne autorizzata la sospensione del servizio viaggiatori sull'intera linea e l'effettuazione del solo servizio merci con una tradotta nei giorni feriali dapprima sino a Malnate, e poi sino a Castiglione Olona, lasciando il binario tra Castiglione e Malnate come raccordo in uso alle Officine Meccaniche Conti di Malnate.
La ferrovia di Valmorea, nonostante le ventilate ipotesi per la sua riapertura al traffico internazionale, continuò a sopravvivere fino al 1977 solo nel tratto Castellanza-Castiglione Olona per servizio merci.