Gelijktijdig met de nieuwe Betuwelijn legt de overheid een spoorlijn tussen Amersfoort en Kesteren aan. Het is de bedoeling om met de aanleg van de spoorlijnen een rechtstreekse treinverbinding tussen Amsterdam, Amersfoort, Nijmegen, en verder naar Duitsland te creëren. De verschillende belangen van de verschillende spoorwegmaatschappijen zorgen er echter voor dat het na de opening van de verbinding nog enkele jaren duurt voordat doorgaande internationale treinen vanuit Amsterdam naar diverse Europese steden over het traject rijden. Het samenvoegen van de verschillende spoorwegmaatschappijen en de Tweede Wereldoorlog zorgen er 50 jaar later voor dat de internationale hoofdspoorlijn al in 1944 wordt gesloten. In 1981 reactiveert NS het baanvak tussen De Haar aansluiting en Rhenen voor het forensenvervoer tussen groeikern Veenendaal en Utrecht.

Hoewel er in eerste instantie plannen zijn gemaakt voor een rechtstreekse spoorlijn van Amersfoort via Wageningen naar Nijmegen, wordt onder druk van het Ministerie van Oorlog gekozen om de spoorlijn bij Veenendaal af te buigen naar Rhenen. Hierdoor blijft de spoorlijn achter de Grebbelinie. De spoorlijn Amersfoort – Kesteren is enkelsporig aangelegd. Alleen de brug over de Rijn bij Rhenen is dubbelsporig. De stations Woudenberg-Scherpenzeel, Veenendaal en Rhenen krijgen ruim opgezette laad- en losplaatsen vanwege de ligging nabij diezelfde Grebbelinie. Het complete traject is in 1884 gereed, maar wordt door onenigheid over de exploitatie pas in februari 1886 in gebruik genomen. De overheid gunt een maand eerder, na lang onderhandelen, de exploitatie aan de HSM. Tegelijkertijd neemt de HSM de exploitatie van de spoorlijn Nijmegen – Kleve over. De exploitatie van de Betuwelijn is op dat moment nog in handen van de Staatsspoorwegen. De nieuwe spoorlijn heeft in Kesteren in eerste instantie dan ook geen aansluiting op de lijn naar Nijmegen. In Amersfoort is geen aansluiting tussen de Oosterspoorweg en de nieuwe lijn naar Kesteren. De HSM rijdt daardoor met pendeltreinen tussen beide plaatsen. Een maand na de opening van de spoorlijn is in Amersfoort een verbindingsbaan naar het NCS-station aangelegd. Treindelen tussen het station Amersfoort Staat aan de lijn naar Kesteren en het NCS-station moeten echter wel kopmaken om van het ene station naar het andere station te komen. De verbindingsbaan wordt dan ook niet gebruikt voor doorgaande treinen, maar de HSM kan nu wel rijtuigen en locomotieven uitwisselen. In 1889 wordt tussen de Oosterspoorweg en de lijn naar Kesteren een viaduct aangelegd waarmee de Centraalspoorweg wordt gekruisd en rechtstreeks treinverkeer tussen Amsterdam en Kesteren mogelijk wordt. Bij de aansluiting tussen de Oosterspoorweg en het nieuwe viaduct wordt een nieuwe halte geopend. Het verbindingsspoor tussen het station van de NCS en het station aan de staatslijn is tegelijkertijd opgebroken.

Op 28 december 2019 rijdt de NVBS vier zogenaamde Oliebollenritten over de PON-lijn tussen Amersfoort en Leusden. Terwijl een collega de overweginstallatie bij de kruising met de Groene Zoom in Leusden in werking zet, wacht het personeel geduldig af.In juni 1889 wordt de spoorlijn in Kesteren op de Betuwelijn aangesloten en bereiken SS en HSM een overeenkomst over de exploitatie van de verbinding: HSM laat doorgaande treinen tussen Amsterdam en Nijmegen rijden, waarbij de SS voor de tractie tussen Kesteren en Nijmegen zorgt. De herverdeling van de exploitatie op het Nederlandse Spoorwegnet zorgt er een jaar later voor dat de HSM ook de exploitatie van de Betuwelijn toegewezen krijgt en zo de treinen over het gehele traject kan rijden. De lijn groeit hierna uit tot een belangrijke internationale hoofdspoorlijn. De HSM laat over de verbinding treinen van Amsterdam via Nijmegen naar Kleve en andere Duitse steden rijden. Ook rijden treinen naar Europese steden als Basel, Wenen en Boekarest via de spoorlijn. Naast de internationale treinen rijden via Kesteren en Nijmegen ook doorgaande treinen naar bijvoorbeeld Maastricht.

In 1901 wordt in Amersfoort het nieuwe hoofdstation geopend. De spoorlijnen zijn zo verlegd dat de treinen van alle verbindingen van hetzelfde station gebruik kunnen maken. Begin jaren ’20 groeit het vervoer op de lijn zodanig dat het traject tussen Amersfoort en Woudenberg-Scherpenzeel van een tweede spoor is voorzien.

Tijdens het 175-jarig jubileum van de spoorwegen in Nederland pendelt Plan U 114 van het Spoorwegmuseum twee dagen tussen Amersfoort en Leusden. Het treinstel bij vertrek uit Amersfoort op 18 oktober 2014.In mei 1940 raakt de Rijnbrug bij Rhenen beschadigd. Niet lang hierna is de brug weer enkelsporig berijdbaar. In 1944 is de brug geheel vernield. In tegenstelling tot de andere oeververbindingen over de grote rivieren, is de brug bij Rhenen na de oorlog niet hersteld. Op de pijlers is in 1957 een brug voor het wegverkeer gebouwd. De reizigersdienst op het gehele traject is in september 1944 gestaakt. Na de Tweede Wereldoorlog krijgt het station Kesteren de naam Kesteren-Rhenen. Tien jaar later is het resterende, inmiddels enkelsporige traject vereenvoudigd tot lokaallijn. In 1972 staakt NS het goederenvervoer tussen Woudenberg-Scherpenzeel en Rhenen. In 1988 volgt het traject Leusden – Woudenberg-Scherpenzeel. Tussen Amersfoort en Leusden vindt nog altijd goederenvervoer plaats. Vrijwel dagelijks rijden op het vijf kilometer lange baanvak autotransporten vanuit de Duitse Volkswagen-fabriek naar de Nederlandse importeur PON. Het spoor is tegenwoordig dan ook bekend als zogenaamde PON-lijn. Eind 2016 is het emplacement in Leusden uitgebreid en is het lange uithaalspoor richting Woudenberg opgebroken.

Reactivering

In de jaren ’60 is Veenendaal aangewezen als groeikern en maakt als zodanig de daaropvolgende decennia een enorme groei door. In 1966 ontstaan de eerste plannen voor het hervatten van het reizigersvervoer op de spoorlijn door het dorp. In 1976 is besloten de lijn naar Veenendaal en Rhenen opnieuw in gebruik te nemen voor het reizigersvervoer. Het traject wordt bij De Haar via een fly-over aangesloten op de Rhijnspoorweg. Tegelijkertijd is het traject Woudenberg-Scherpenzeel – De Haar Aansluiting opgebroken. Het bestaande traject wordt opgeknapt en geëlektrificeerd. Tussen De Haar en het station Veenendaal Centrum is de spoorlijn dubbelsporig. NS neemt de zogenaamde Veenendaallijn in mei 1981 opnieuw in gebruik. Tegelijkertijd wordt het station Kesteren-Rhenen hernoemd in Kesteren.

Dienstregeling

De spoorlijn Amersfoort – Kesteren kent na de aansluiting op de Betuwelijn verschillende doorgaande treinen van Amsterdam naar Nijmegen, Zuid-Limburg, Duitsland en diverse steden in Midden- en Oost-Europa. Ook na het samenvoegen van verschillende spoorwegmaatschappijen blijven doorgaande reizigerstreinen over de verbinding rijden. De doorgaande treinen rijden na het samengaan van HSM en SS voornamelijk tussen Amsterdam en Maastricht. Een aantal van deze treinen rijdt door naar Luxemburg en Basel. Een enkele trein gaat bij Groesbeek de grens over.

Op de gereactiveerde Veenendaallijn rijdt in de beginjaren elk halfuur een stoptrein Utrecht – Rhenen. De treinen stoppen tot in de jaren ’90 niet in Bunnik en slaan lange tijd ook eenmaal per uur Maarn over. In december 2005 koppelt NS de treindienst voor een jaar aan de sneltreindienst tussen Utrecht, Naarden-Bussum en Almere. Eind 2006 is in Veenendaal een nieuw keerspoor gereed en intensiveert NS de treindienst. Elk halfuur rijdt een stoptrein Amsterdam Zuid – Rhenen, in de spits aangevuld met een halfuursdienst tussen Utrecht en Veenendaal Centrum. Twee jaar later wordt de reguliere Sprinterdienst ingekort tot Breukelen – Rhenen. De spitstreinen rijden voortaan tussen Amsterdam Centraal en Veenendaal Centrum. Een jaar later wordt ook de spitsdienst ingekort tot Breukelen. Een aantal reguliere sprinters rijdt in de spits echter tussen Uitgeest en Rhenen. Vanaf december 2016 rijden alle reguliere sprinters tussen Uitgeest en Rhenen.

Materieelinzet

Op 9 januari 2016 vertrekken Plan V-treinstellen 961 en 453 als Sprinter van Rhenen naar Driebergen-Zeist uit Veenendaal Centrum. Dat weekend is de treindienst vanwege werkzaamheden in Driebergen gekoppeld aan een extra sprinterdienst naar Arnhem.Na de reactivering van de Veenendaallijn zet NS hier voornamelijk Materieel ’64 in. Wanneer het Materieel ’54 eind jaren ’80 uit de intercitydiensten verdwijnt, schuift een deel van de treinstellen door naar stoptreindiensten rond Utrecht en Eindhoven. Het materieel wordt zo van zomerdienst 1990 tot het ingaan van de winterdienst 1994/1995 tussen Utrecht en Rhenen ingezet. Eind 1994 neemt het Stadsgewestelijk Materieel de treindienst over. In 1995 zet NS tijdens de spits twee ingekorte stammen van de eerste generatie Dubbeldeksmaterieel in. De stammen van slechts vijf rijtuigen ontstaan dat jaar door de inzet van dubbeldeksrijtuigen als fietsrijtuig tussen Zandvoort en Zuid-Limburg en passen perfect langs de korte perrons van de Veenendaallijn.

In september 2010 zet NS het nieuwe Sprinter Lightrail-materieel in op de sprinterverbindingen van Uitgeest naar Rotterdam en Rhenen. De inzet start door verschillende oorzaken twee jaar later dan gepland. In de tussenliggende periode rijdt vooral het Materieel ’64 maar ook het Stadsgewestelijk Materieel de vervangende treindiensten. Vanaf eind 2012 breidt NS de inzet van het SGM op het baanvak weer verder uit. Na enkele jaren worden de meeste sprinters weer door SLT-treinstellen gereden. Vanaf 2021 zet NS voornamelijk SNG-treinstellen in.

Op de foto boven dit artikel is DDZ-treinstam 7511 op 2 augustus 2014 even ten westen van Veenendaal onderweg als sprinter van Breukelen naar Rhenen.