Строительство началось в 1881 году, под руководством председателя Временнаго управления по постройке Криворогской и Баскунчаковской железной дороги барона Шернваль и инженера В. А. Титова, опытными смоленскими и витебскими рабочими. Завершилось сдачей в эксплуатацию от станции Ясиноватая через Екатеринослав и Кривой Рог до станции Долинская, его главная цель — «перевозка железной руды и других минеральных богатств местности близ местечка Кривой Рог».
Общая строительная длина Криворогской (Екатерининской) железной дороги с заводскими и рудничными ветками составила 523 километра, а позже стала увеличиваться по мере продолжавшегося строительства на других участках.
Во время строительства средняя стоимость одной версты главного пути составляла около 36 000 рублей, по другим данным 45 576. Дорога начала окупать затраты (приносить прибыль) на строительство после второго года эксплуатации, при общей стоимость строительства «чугунки» в 30,9 млн рублей, а сложнейший двухъярусный шосейно-железнодорожный мост (15-пролётный двухъярусный совмещённый мост через Днепр у Екатеринослава) обошёлся при строительстве в 4 млн рублей.
В 1887 году эксплуатационная длина железной дороги составила уже 999 верст.
В годы экономического подъёмах России (1890-е) произошло мощное увеличение Екатерининской ЖД за счёт технической реконструкции присоединённых к ней участков выкупленных в казну Российской империи частных железнодорожных линий:
Никитовка — Ростов-на-Дону (Курско-Харьково-Азовская железная дорога);
Ясиноватая — Мариуполь (Донецкая каменноугольная железная дорога);
Синельниково — Нижнеднепровск (Лозово-Севастопольская железная дорога).
К 1903 году имела протяжённость 2134 версты, а к 1913 году уже — 2827 (в том числе 1062 версты двухпутных линий).
В 1918 году передана в ведение НКПС. В период гражданской войны и оккупации частично разрушена и разграблена.
4 января 1936 года железная дорога была переименована в Сталинскую железную дорогу.
