La Facoltà (ovvero, la concessione) di costruire ed esercitare la ferrovia tra Ancona e Bologna venne accordata dal governo pontificio, con decreto del 21 maggio 1856 al Marchese di Casa Valdes, con la prescrizione di costruirla entro 10 anni e per la durata di 95 anni. Il 16 agosto successivo il governo approvò lo statuto della Società generale delle strade ferrate romane costituita per la costruzione e l'esercizio dell'intera linea ferroviaria Roma-Ancona e prosecuzione fino a Bologna. Detta società era concessionaria della intera rete detta Pio Centrale che comprendeva anche la Roma-Civitavecchia[1] e favoriva anche gli interessi della rete ferroviaria dell'austriaco Lombardo-Veneto portando la strada ferrata fino a Ferrara e al Po[2].
La ferrovia fu aperta all'esercizio nel 1861, all'annessione dei territori al Regno d'Italia. Con essa avvenne l'inversione della stazione di partenza, che divenne Bologna, e della stazione di arrivo, che divenne Ancona. Il tronco Bologna-Forlì fu aperto il 1º settembre 1861, quello Forlì-Rimini il 5 ottobre e il 17 novembre fu la volta del tratto ferroviario fino alla stazione di Ancona[5]. La cerimonia inaugurale della linea completa si era tenuta sette giorni prima[6].
La linea è stata raddoppiata agli inizi del Novecento. L'elettrificazione a 3000V CC venne inaugurata il 12 novembre 1938[7] ed entrò in esercizio due giorni dopo[8].
Dal 2015 la linea è interessata da importanti lavori di potenziamento infrastrutturale, conseguentemente a questi lavori la velocità massima della linea sarà elevata a 200 km/h[12].
Superato il comune di Savignano sul Rubicone, la linea piega leggermente verso sud-est e prosegue fino alla località di Santarcangelo di Romagna continuando quindi in rettilineo con andamento ovest-est per poi piegare parallelamente alla costa adriatica giungendo così a Rimini.
Da quest'ultima la ferrovia prosegue il suo percorso affiancando il tracciato storico della strada statale 16Adriatica giungendo così alla città di Ancona e diramandosi fin dentro il suo porto.
La linea presenta una lunghezza complessiva di 204 km con pendenze comprese tra lo 0 e il 7‰ ad eccezione di due brevi tratti compresi tra le stazioni di Ancona e di Ancona Torrette e tra l'ex stazione di Gradara e la galleria Cattolica dove viene raggiunta una pendenza massima del 12‰.
Durante tutto il suo percorso, la ferrovia incrocia numerose ferrovie e tranvie, alcune tuttora in uso, altre dismesse, altre mai completate.
Sono presenti sulla linea sia treni passeggeri che svolgono servizio regionale che treni a lunga percorrenza. Tali treni sono svolti da Trenitalia e Trenitalia Tper; quest'ultima nel periodo estivo esercisce inoltre la relazione Freccia Orobica (Bergamo-Pesaro).
A causa della sovrapposizione di più relazioni nel nodo di Bologna (traffico locale, regionale, a lunga percorrenza merci), nel 2022 il Ministro delle Infrastrutture e della Mobilità Sostenibili, Enrico Giovannini, ha deliberato uno stanziamento di fondi pari a 2,3 miliardi di euro per quadruplicare la tratta romagnola della linea. Si ipotizzano due lotti: Bologna San Vitale - Imola e Imola - Castel Bolognese[29][30].
^Governo Pontificio,Ragguaglio delle cose operate dal Ministero del commercio e dei Lavori Pubblici dal 1859 al 1863, Roma, Tipografia della Rev. Camera Apostolica-1864
^Giornale delle strade ferrate, vol. 1, Roma, 1857.
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