De staatslijn tussen Amsterdam en Nieuwe Diep (het latere Den Helder) is in etappes van noord naar zuid geopend. De aanleg van het Noordzeekanaal en het gedeeltelijk inpolderen van het IJ diezelfde periode, zorgt ervoor dat de spoorlijn in eerste instantie slechts tot Zaandam is aangelegd. In december 1865 is het baanvak Nieuwe Diep – Alkmaar gereed. Het traject Alkmaar – Uitgeest volgt in mei 1867. Omdat dan al duidelijk is dat de HSM de exploitatie op de staatslijn toegewezen krijgt, legt de spoorwegmaatschappij gelijktijdig de spoorlijn Haarlem – Uitgeest aan. In 1867 start de HSM met de treindienst tussen Amsterdam en Nieuwe Diep. Ondertussen is de staatslijn in november 1869 verlengd tot Zaandam. Het duurt nog tot mei 1878 voordat de Hembrug over het Noordzeekanaal gereed is en Zaandam en Amsterdam per spoor verbonden zijn. Vooral tussen Amsterdam en Alkmaar is de verbinding van groot belang voor het forensenvervoer. In 1931 wordt dit deel van de staatslijn dan ook geëlektrificeerd. Het traject Alkmaar – Den Helder volgt in 1958. In 1983 is de Hembrug vervangen door een tunnel en verhoogt NS de frequentie van de treindiensten boven het Noordzeekanaal.
Staatslijn K is hoofdzakelijk aangelegd om Amsterdam met de marinehaven Den Helder te verbinden. De verzanding van het IJ en de beperkingen van het Noordhollands kanaal voor moderne schepen en bij bevriezing zorgen voor een steeds slechtere bereikbaarheid van de Amsterdamse haven. De aanleg van het Noordzeekanaal maakt de staatslijn dan ook grotendeels overbodig. De lijn blijft echter van belang voor de ontsluiting van het landelijke gebied en de afvoer van landbouwproducten. In aansluiting op Staatslijn K is begin jaren ’80 van de 19e eeuw de staatslijn Zaandam – Enkhuizen aangelegd. Beide lijnen zijn vanaf 1898 nogmaals verbonden via de spoorlijn Heerhugowaard – Hoorn. Enkele jaren eerder is het baanvak Alkmaar – Heerhugowaard van een tweede spoor voorzien.
Nog geen dertig jaar na de opening wordt de Hembrug vervangen door een nieuwe brug. De eerste draaibrug uit 1878 heeft een doorvaartbreedte van 19 meter en in gesloten stand slechts een doorvaarthoogte van 4 meter. De toename van het scheepvaartverkeer zorgt er al snel voor dat het Noordzeekanaal verbreed wordt en er een grotere en hogere draaibrug komt. De nieuwe Hembrug is tussen 1903 en 1907 gebouwd. Vanaf het station van Zaandam wordt ten westen van de oude lijn een nieuwe spoordijk aangelegd om de nieuwe hoge helling te overwinnen. De doorvaartbreedte van de nieuwe Hembrug is maar liefst 55 meter en de doorvaarthoogte is 11 meter. De brug heeft aan beide zijden een vaste brug van 68,2 meter. Het beweegbare middendeel is 127,9 meter lang.
Hoewel de verbinding ten noorden van Alkmaar maar van beperkt belang is, wordt de staatslijn vooral tussen Alkmaar en Amsterdam steeds belangrijker voor het forensenvervoer. Begin jaren ’30 is de Zaanlijn gemoderniseerd. Hierbij krijgen de meeste stations een eilandperron en een modern stationsgebouw. Vanaf eind 1931 is het baanvak elektrisch berijdbaar. Het duurt vervolgens nog tot juni 1958 voordat NS ook het baanvak tot Den Helder elektrificeert.
In mei 1983 neemt NS de Hemtunnel in gebruik. Tussen de aansluiting Singelgracht in Amsterdam en het station van Zaandam maken de treinen gebruik van een geheel nieuw tracé. De opening van de driesporige Hemtunnel is een grote verbetering voor zowel het scheepvaart- als het spoorverkeer. Door de aanleg van de tunnel kan het Noordzeekanaal worden verbreed en is de treindienst ten noorden van het kanaal niet langer afhankelijk van de openingstijden van de brug. Het baanvak aan de Amsterdamse zijde van het Noordzeekanaal blijft tot aan de voormalige spoordijk naar de Hembrug in gebruik voor goederenvervoer naar de Westhaven. De spoordijk zelf is na de sluiting van de spoorlijn afgegraven. In 2023 neemt NS op het afgegraven tracé een nieuw opstelterrein in gebruik. Het Zaanse deel van het oude traject is vrijwel direct na de sluiting van de spoorlijn opgebroken.
In 1996 vindt opnieuw een capaciteitsuitbreiding op het traject plaats. Dat jaar is het dubbelsporige baanvak Heerhugowaard – Schagen in gebruik genomen.
Dienstregeling
In 1867 laat de HSM de eerste rechtstreekse treinen tussen Amsterdam Willemspoort en Nieuwe Diep rijden. Dagelijks rijden zo’n drie treinen. De treinen rijden ruim tien jaar via Haarlem. Vanaf 1878 rijden de treinen via Zaandam en neemt het aantal treinen steeds verder toe. Na de elektrificatie van het baanvak Amsterdam – Alkmaar in 1931 wordt de treindienst grotendeels opgeknipt. Tussen Amsterdam en en Alkmaar wordt een halfuursdienst ingevoerd. Het ene halfuur rijdt een trein via Haarlem en het andere halfuur via Zaandam. Bovendien rijdt elk uur via Zaandam een trein tussen Amsterdam en Uitgeest. Tussen Alkmaar en Den Helder rijdt een uurdienst.
Na de elektrificatie van het baanvak Alkmaar – Den Helder in 1958 herstelt NS de rechtstreekse treindienst tussen Amsterdam en Den Helder. Tussen beide plaatsen gaat een rechtstreekse uurdienst van start. Tussen Amsterdam en Alkmaar stopt de trein alleen nog in Castricum. De dienst wordt aangevuld met twee stoptreinen per uur tussen Amsterdam en Alkmaar. In de spits rijdt voornamelijk in de drukste richting een groot aantal extra snel- en stoptreinen. Eind 1966 voert NS op de Noord-Hollandse lijnen een volledige halfuursdienst in.
Met de invoering van de nieuwe dienstregeling bij Spoorslag ’70 laat NS tweemaal per uur een intercity tussen Amsterdam en Den Helder rijden. De trein rijdt eenmaal per uur via Haarlem en het andere halfuur via Zaandam. Aansluitend rijdt elk halfuur een intercity tussen Amsterdam en Alkmaar via Zaandam danwel Haarlem. Tussen Amsterdam en Alkmaar rijdt elk halfuur een stoptrein. Van Amsterdam tot Zaandam rijdt deze gecombineerd met de intercity. In tegengestelde richting rijden beide treindelen apart. De intercity van Alkmaar naar Amsterdam stopt bovendien niet in Zaandam. In de spits rijdt in de drukste richting een groot aantal extra snel- en stoptreinen met wisselende begin- en eindpunten als Amsterdam Amstel, Heerhugowaard en Schagen. Wanneer de elektrificatie van het traject Heerhugowaard – Hoorn in 1974 gereed is, rijdt de intercity die eerder in Alkmaar eindigt, door naar Hoorn. Halverwege de jaren ’80 rijden de treinen naar Hoorn elk half uur vanuit Den Haag Centraal via Haarlem. Alle treinen naar Den Helder rijden voortaan via Zaandam.
De stoptreindienst Amsterdam – Alkmaar wordt na de opening van de Hemtunnel losgekoppeld van de intercitydienst. In de brede spits rijdt NS bovendien elk halfuur een stoptreindienst Amsterdam – Uitgeest. De overige spitstreinen rijden voortaan vrijwel in een consequente halfuurdienst elke ochtend van Den Helder naar Amsterdan en in de middag van Amsterdam naar Schagen. De treinen stoppen tussen Zaandam en Castricum niet op tussengelegen stations. In mei 1992 degraderen alle intercitydiensten op de staatslijn tot sneltreindiensten.
In mei 1993 koppelt NS de sneltreindienst Amsterdam – Arnhem/Nijmegen aan de sneltreindienst naar Den Helder. De spitssneltreinen blijven van en naar Amsterdam Centraal rijden. In mei 1994 vervallen de meeste spitssneltreinen van Amsterdam naar Schagen en wordt een deel van de spitsstoptreinen naar Uitgeest doorgetrokken naar Schagen. Een jaar later keren de sneltreinen terug en wordt de sneltreindienst Nijmegen – Den Helder opnieuw een intercitydienst. Vanaf eind jaren ’80 zijn enkele spitsstoptreinen Amsterdam – Uitgeest gekoppeld aan reguliere stoptreinen Utrecht – Amsterdam. In mei 1995 koppelt NS alle spitsstoptreinen aan de stoptreindienst Utrecht – Amsterdam. In de loop van 1996 wijzigt NS de spitsdienst in een reguliere stoptreindienst. In mei 1998 trekt NS de meeste spitssneltreinen Amsterdam – Schagen door naar Den Helder.
In december 2003 breidt NS de dienstregeling op de Staatslijn verder uit. Tussen Amsterdam en Alkmaar gaat een nieuwe sneltreindienst van start. De treindienst is gekoppeld aan de sneltreindienst Amersfoort Schothorst – Amsterdam. In de brede spitsen rijden de treinen in beide richtingen van en naar Schagen. Een enkele trein rijdt van of naar Den Helder. Er rijden geen aparte spitstreinen op het baanvak. De stoptreinen Utrecht – Uitgeest wordt verlengd naar Alkmaar en de stoptreinen Amsterdam – Almaar rijden voortaan tot Uitgeest. Een jaar later stopt de sneltrein Amersfoort Schothorst – Alkmaar ook in Uitgeest en wordt de stoptreindienst Utrecht – Alkmaar weer ingekort tot Uitgeest.
In december 2006 neemt NS de nieuwe intercityverbinding Maastricht/Heerlen – Amsterdam – Alkmaar in gebruik. De stop in Uitgeest en de rechtstreekse verbinding met Amersfoort komen hiermee te vervallen. De treinen rijden opnieuw in de brede spits door naar Schagen. Alleen in de drukste richting stoppen de treinen op tussengelegen stations. De nieuwe intercity’s rijden op zon- en feestdagen niet tussen Amsterdam en Alkmaar. Op deze dagen wordt elk half uur een sprinter Amsterdam – Uitgeest doorgetrokken naar Alkmaar. De sprinterdienst Utrecht – Uitgeest wijzigt hierbij in Rotterdam – Gouda – Uitgeest (- Alkmaar). Een jaar later koppelt NS de sprinterdienst Amsterdam – Uitgeest aan de sprinterdienst Amersfoort Vathorst – Amsterdam. Weer een jaar later wijzigt NS de sprinterdienst Rotterdam – Uitgeest (- Alkmaar) in Almere Oostvaarders – Uitgeest (- Alkmaar). In december 2009 wordt deze wijziging weer teruggedraaid. De sprinterdienst Amersfoort Vathorst – Uitgeest wordt tegelijkertijd ingekort tot Amsterdam – Uitgeest. In de spits rijden deze sprinters van en naar Rhenen.
Materieelinzet
Speciaal voor de dienst op de geëlektrificeerde Noordhollandse lijnen Amsterdam – Alkmaar en Haarlem – Uitgeest bouwt Beijnes elf nieuwe motorrijtuigen van het type Materieel ’24. Samen met elf nieuwe tussenrijtuigen vormen de rijtuigen de laatste bestelling blokkendoosmaterieel. Met rijtuigen uit eerdere bestellingen worden voor de Noordhollandse diensten elf vierwagenstammen samengesteld. Ook na de Tweede Wereldoorlog keert het Materieel ’24 terug tussen Amsterdam en Alkmaar. De treinstammen rijden nog tot 1959 in de stoptreindienst tussen Amsterdam en Uitgeest. Tegelijkertijd komt een eind aan de inzet van het Materieel ’24 als zelfstandig rijdende treinstam. De rijtuigen zijn tot in de jaren ’60 te zien in de getrokken militaire verlofgangerstreinen tussen Den Helder en Rotterdam.
In 1947 verschijnt het Materieel ’40 in de treinen tussen Amsterdam en Alkmaar. In de loop van de jaren ’50 wordt ook het Materieel ’36, ’46 en ’54 op de staatslijn ingezet. Ondertussen wordt begin 1957 de stoomtractie tussen Alkmaar en Den Helder vervangen door diesellocomotieven uit de serie 2200. Wanneer het baanvak in de zomer van 1958 geëlektrificeerd is, neemt elektrisch stroomlijnmaterieel de treindienst over. De diesellocs rijden echter nog tot 1960 militaire verlofgangerstreinen van en naar Den Helder. In 1964 introduceert NS de nieuwe Plan T treinstellen in de treindienst tussen Amsterdam en Den Helder. Het oude stroomlijnmaterieel blijft in de stoptrein- en spitsdiensten rijden. Vanaf 1966 nemen Plan V treinstellen geleidelijk de Noordhollandse stoptreindiensten over. Vanaf eind 1969 heeft het Materieel ’64 alleenheerschappij op de reguliere treindiensten ten noorden van het Noordzeekanaal. Alleen de spitstreinen worden nog voornamelijk met Materieel ’46 gereden. Tot 1972 rijdt ook het Materieel ’40 in de Noordhollandse spitsdiensten. Hierna worden enkele spitstreinen met getrokken materieel gereden. Op mei 1983 wordt de Hemtunnel in gebruik genomen. In de tunnel is alleen materieel met ATB toegelaten. Dit betekent het einde van het Materieel ’46 op Staatslijn K. Een half jaar later verdwijnen ook de getrokken treinen uit de spitsdiensten en neemt het Materieel ’54 deze diensten over. Diezelfde periode neemt het Stadsgewestelijk Materieel in 1983 de stoptreindiensten tussen Amsterdam en Uitgeest/Alkmaar over. In 1985 introduceert NS het nieuwe Dubbeldeksmaterieel in de Noordhollandse spitstreinen en verdwijnt het Materieel ’54 weer van de verbinding. In 1987 rijden opnieuw enkele getrokken spitstreinen in Noord-Holland.
In mei 1992 start NS met de inzet van het nieuwe Dubbeldeks AggloRegiomaterieel tussen Amsterdam en Den Helder. In dezelfde periode rijdt het Materieel ’54 opnieuw enkele maanden enkele spitstreinen. Ook na de koppeling aan de treindienst naar Nijmegen laat NS laat het DD-AR materieel ook op het traject rijden. Ook het oude Dubbeldeksmaterieel rijdt in de reguliere treinen op deze langeafstandsverbinding. Een groeiend aantal treinen op de verbinding wordt in de loop van de jaren ’90 overgenomen door het comfortabelere Intercitymaterieel. Eind jaren ’90 rijden vrijwel alle treinen op de verbinding met DD-IRM.
De sneltreindienst tussen Alkmaar en Amersfoort wordt vanaf december 2003 drie jaar lang voornamelijk met de eerste generatie Dubbeldeksmaterieel gereden. Met de invoering van de verbinding Maastricht/Heerlen – Alkmaar (- Schagen) verdwijnt het oude Dubbeldeksmaterieel van de Staatslijn. De nieuwe intercityverbinding wordt volledig met DD-IRM gereden. Door de vertraagde instroom van het nieuwe SLT materieel en het doorschuiven van de oude Sprinterstellen, keert in 2008 na zo’n 25 jaar het Materieel ’64 terug in de stoptreindiensten op de Staatslijn. Later rijdt ook het SGM een aantal stoptreinen op het baanvak. In september 2010 neemt het SLT materieel de sprinterdiensten in Noord-Holland over.
In 1902 opent de HSM in aansluiting op de staatslijn een twee kilometer lange goederenverbinding tussen Sint Pancras en Broek op Langendijk. De spoorlijn is vooral van het belang voor de afvoer van groenten, met name witte kool. Vijf jaar na de opening laat de HSM dagelijks ook enkele lokaaltreinen met reizigers tussen Alkmaar en Broek op Langendijk rijden. Het reizigersvervoer wordt in 1926 opgeheven. Ondertussen heeft de HSM in 1915 ook tussen het station Noord Scharwoude aan de staatslijn en het dorp zelf een goederenlijn van 2,5 kilometer in gebruik genomen. NS heft het goederenvervoer op beide lijnen in 1972 op. Hierna zijn beide baanvakken opgebroken. Vooral de voormalige spoordijk bij Noord Scharwoude is nog duidelijk in het landschap te zien.
Na de Tweede Wereldoorlog rijden in de zomermaanden decennialang verschillende toeristische treinen op de staatslijn. Op vrijdagen rijden lange tijd onder de naam Kaasmarkt Expres enkele extra sneltreinen tussen Amsterdam en Alkmaar. Op donderdagen rijdt vanuit Amsterdam enkele jaren een Schager Marktexpres. In de jaren ’70 en ’80 rijdt op zaterdagen een rechtstreekse trein tussen Keulen en Den Helder. Vanaf de jaren ’90 rijden alleen nog gezelschapstreinen richting Alkmaar.