Met het oog op de ontwikkeling van de mijnbouw legt de NZS een lokaalspoorweg van Sittard via Heerlen naar Herzogenrath aan. Op 1 mei 1896 neemt de spoorwegmaatschappij de gehele verbinding in gebruik. Na twee jaar nemen de Staatsspoorwegen de spoorlijn over en bouwen deze om tot hoofdspoorlijn. Wanneer de Tweede Wereldoorlog uitbreekt, wordt het grensoverschrijdende reizigersvervoer gestaakt. Tien jaar later stopt NS ook het reizigersvervoer tussen Schaesberg en Haanrade. In 1992 is het traject Heerlen – Herzogenrath als onderdeel van de internationale verbinding naar Aachen opnieuw in gebruik genomen voor het reizigersvervoer.
Ter bevordering van de exploitatie van de kolenmijnen is in 1891 de Nederlandsche Zuider-Spoorwegmaatschappij opgericht. De NZS legt een lokaalspoorweg van Sittard via Heerlen naar Herzogenrath aan. De spoorlijn sluit in de Duitse grensplaats aan op de spoorlijn Mönchengladbach – Aachen. Op 1 mei 1896 neemt de spoorwegmaatschappij de gehele verbinding in gebruik. De Staatsspoorwegen zorgen voor de exploitatie. Het is de bedoeling om de spoorlijn vanuit Sittard in noordelijke richting door te trekken naar Echt en Weert. Ondanks dat Het Rijk de bouw van een brug over de Maas bij Wessem wil financieren, verdwijnen de plannen voor de lijn naar Weert in het archief.
Twee jaar na de opening, neemt de SS de spoorlijn naar Herzogenrath over van de NZS en bouwt deze om tot hoofdspoorlijn. Aan het begin van de 20e eeuw krijgt de spoorlijn ten oosten van Heerlen aansluitingen naar de kolenmijnen Julia en Laura. In Heerlen zelf is bovendien aansluiting op de eerste Oranje Nassaumijn. In Nuth komt een aansluiting naar Staatsmijn Emma en een groot overgavestation. Ook het emplacement van Heerlen wordt aanzienlijk uitgebreid. In 1906 legt De Staat tussen Heerlen en Staatsmijn Wilhelmina in Terwinselen een zijtak van bijna drie kilometer aan.
Vanwege het toenemende vervoer is het baanvak tussen Heerlen en de Pruisische grens in 1912 van een tweede spoor voorzien. De daaropvolgende jaren leggen verschillende mijnbouwbedrijven nieuwe zijtakken en emplacementen aan. De Staatsmijnen leggen bovendien begin jaren ’30 tussen Nuth en Stein, gedeeltelijk parallel aan de NZS-lijn, een eigen spoorlijn aan voor de afvoer van steenkool naar het Julianakanaal. Met de nieuwe lijn zijn vrijwel alle mijnen, cokesfabrieken en de chemische bedrijven met elkaar verbonden en worden de hoge tarieven van NS ontlopen.
Met het uitbreken van de Tweede Wereldoorlog in mei 1940 wordt de internationale reizigersdienst tussen Haanrade en Herzogenrath gestaakt. De treindienst wordt na de oorlog niet opnieuw opgestart en in augustus 1950 staakt NS ook het reizigersvervoer op het baanvak Schaesberg – Haanrade. De spoorlijn blijft in gebruik voor het vervoer van kolen, al dan niet vanuit Duitsland. Ook is de verbinding van belang voor het NAVO-depot in Eygelshoven.
Ondertussen is in de eerste helft van 1949 het baanvak Sittard – Heerlen net als de baanvakken Eindhoven – Sittard – Maastricht en Maastricht – Heerlen geëlektrificeerd. Heerlen is dan inmiddels begin- en eindpunt voor diverse doorgaande treinen van en naar de grote steden in het westen van het land. Intussen verdwijnen steeds meer mijnspoorwegen. De zijtak naar Terwinselen sluit in 1975. Als aandenken blijft ter hoogte van de voormalige Wilhelminamijn zo’n 500 meter spoor liggen en zijn twee wagens bij een stootjuk geplaatst.
Op 31 mei 1992 wordt het baanvak Landgraaf – Herzogenrath opnieuw geopend voor internationaal reizigersvervoer. Een dag eerder beëindigt NS de internationale treindienst tussen Maastricht en Aachen. In juni 2001 wordt het traject onderdeel van de Euregiobahn, het lightrailproject in en om Aachen. Hierbij neemt DB Regio de treindienst over van NS.
In 2015 is besloten de spoorlijn tussen Landgraaf en Aachen te elektrificeren en een jaar later valt het besluit om het baanvak Heerlen – Landgraaf weer te verdubbelen. De elektrificatie start eind april 2018 en is ruim een half jaar later gereed. De geplande spoorverdubbeling volgt in de periode 2021-2022. Bij de spoorverdubbeling verdwijnt ook de weinig succesvolle halte Heerlen De Kissel. De halte is in december 2007 in gebruik genomen, maar sluit elf jaar later weer omdat een stop niet meer in de dienstregeling past.
Intussen neemt Arriva in december 2016 de sprinterdienst tussen Sittard en Heerlen over van NS. Vanaf eind januari 2019 verzorgt Arriva ook de doorgaande sneltrein Maastricht – Heerlen – Aachen.
Dienstregeling
Naast het transport van kolen vindt op de spoorlijn ook reizigersvervoer plaats. De eerste decennia rijden dagelijks slechts enkele stoptreinen tussen Sittard en Herzogenrath. Eind jaren ’20 rijdt over het traject tevens een sneltrein van Den Haag naar Heerlen en een tegentrein naar Leiden. In mei 1940 komt een eind aan de internationale treindienst naar Herzogenrath. Tien jaar later vervalt ook het reizigersvervoer tussen Schaesberg en Haanrade. Het resterende traject tussen Heerlen en Sittard is in 1949 inmiddels geëlektrificeerd. Op het traject rijdt elk uur een stoptrein. Ook rijdt vrijwel elk uur via Eindhoven en Utrecht een sneltrein naar Amsterdam of Rotterdam. Vanaf Sittard rijden de treinen doorgaans gecombineerd met een treindeel uit Maastricht. In 1965 wordt de treindienst naar Amsterdam doorgetrokken naar Zandvoort. Met het ingaan van de nieuwe dienstregeling bij Spoorslag ’70 worden de treinen niet langer in Sittard gecombineerd. Voortaan rijdt het ene halfuur een intercity Maastricht – Zandvoort en het andere halfuur een intercity Heerlen – Zandvoort. Tussen Sittard en Heerlen rijdt elk uur een stoptrein die aansluit op de intercity Zandvoort – Maastricht. In de jaren ’90 wijzigt NS de intercitydienst Heerlen – Zandvoort in de verbinding Heerlen – Den Haag Centraal.
In december 2006 neemt de vervoerder de nieuwe intercityverbinding Maastricht/Heerlen – Alkmaar in gebruik. De treinen rijden elk halfuur en combineren en splitsen in Sittard. Zes jaar later eindigt de gecombineerde treindienst en laat NS elk half uur een intercity Heerlen – Schiphol en een intercity Maastricht – Alkmaar rijden. Hiermee ontstaat een kwartierdienst tussen Sittard en de Randstad. De stoptreinen blijven buiten de spits eenmaal per uur rijden.
Wanneer in 1992 de reizigersdienst tussen Heerlen en Aachen opnieuw van start gaat, rijdt NS in een opvallende anderhalfuursdienst. Het voordeel van deze dienstregeling is dat er slechts één treinstel nodig is. In juni 2001 neemt DB Regio de treindienst over van NS. De vervoerder verhoogt de frequentie naar een uurdienst. Bovendien rijden de treinen vanuit Aachen Hbf door naar Stolberg Altstadt. Door wijzigingen in de dienstregeling rond Aachen pendelen de treinen vanaf december 2015 tussen Heerlen en Herzogenrath.
Arriva verzorgt vanaf de dienstregeling 2017 elk halfuur een stoptreindienst tussen Sittard en Heerlen. De vervoerder laat de treinen doorrijden naar Kerkrade Centrum. In december 2018 staken DB en NS het treinverkeer tussen Heerlen en Herzogenrath. In afwachting van de toelating van het nieuwe materieel van Arriva rijden tussen Heerlen en Aachen bussen. Vanaf eind januari 2019 laat Arriva elk uur de zogenaamde Drielandentrein tussen Maastricht, Heerlen en Aachen rijden. Vanaf december 2022 voegt de vervoerder elk uur een pendeltrein tussen Heerlen en Herzogenrath aan de dienstregeling toe. Deze trein stopt niet op tussengelegen stations. Door problemen met het beveiligingssysteem pendelen de treinen sinds januari 2023 alleen nog tussen Heerlen en Herzogenrath.
Materieelinzet
Met de elektrificatie van het baanvak Sittard – Heerlen verdwijnt de stoomtractie uit de reizigersdienst op het baanvak. NS rijdt zowel de doorgaande treinen als de stoptreinen met treinstellen Materieel ’36 en Materieel ’46. In de loop van de jaren ’50 neemt het aantal getrokken treinen in de doorgaande diensten toe. De uurdienst van en naar Amsterdam/Zandvoort wordt vanaf 1960 volledig met getrokken materieel gereden. Het Materieel ’46 rijdt inmiddels alle stoptreindiensten.
Vanaf 1970 is de treindienst tussen Zandvoort en Heerlen onderdeel van het landelijke Intercitynetwerk en rijden vrijwel alle treinen standaard met locomotieven uit de serie 1200 en Plan E rijtuigen. In 1982 en 1983 nemen de nieuwe locomotieven uit de serie 1600 en de nieuwe Intercityrijtuigen de treinen over. Zowel in het tijdperk van de Plan E-rijtuigen als dat van de Intercityrijtuigen rijden Plan W rijtuigen mee als versterking. De inzet van deze rijtuigen duurt tot 2002. Intussen vervangt NS het Materieel ’46 uit de stoptreindiensten begin jaren ’80 door het Materieel ’64.
In december 2015 gaat het laatste Materieel ’64 officieel terzijde en neemt het Stadsgewestelijk Materieel de sprinterdienst tussen Sittard en Heerlen over. Door een materieeltekort blijven de Plan V-stellen nog enkele maanden in dienst en zet NS het SGM doorgaans op andere baanvakken in. Van april tot december 2016 rijdt het SGM de complete sprinterdienst. Hierna neemt Arriva de treindienst over. De vervoerder rijdt voornamelijk met de oude GTW-treinstellen van Veolia.
De treinen tussen Heerlen en Aachen rijden in eerste instantie met de drie DE-2 treinstellen die zijn vrijgekomen uit de dienst tussen Maastricht en de Duitse stad. In augustus 1998 vervangt NS de treinstellen door de DM’90 treinstellen 3431-3433. De drie stellen zijn voor deze dienst voorzien van extra instaptreden en het Duitse beveiligingssysteem Indusi. Sinds 2001 rijden de Talent-treinstellen van DB Regio NRW op de verbinding.
Voor de rechtstreekse verbinding tussen Luik, Maastricht en Aachen bestelt Arriva acht tri-coulante treinstellen van het type FLIRT3. De stellen gaan in januari 2019 tussen Maastricht en Aachen rijden.
Op 4 juni 2022 is Arriva-treinstel 556 dan nog als tweelandentrein bij Landgraaf onderweg van Aachen HBf naar Maastricht.