La linea Mandas-Arbatax fa parte del primo blocco di ferrovie secondarie realizzate in Sardegna che il Governo concesse alle Strade Ferrate Secondarie Sarde. Anche questa linea venne progettata dall'Ingegner Alfredo Cottrau che sapeva bene che questa era l'opera più impegnativa tra tutte quelle avute in concessione. I lavori sulla Mandas-Arbatax iniziarono attorno al 1890 su due tronconi differenti, uno partiva dal capolinea di Arbatax e l'altro dalla stazione di Mandas. In questa maniera si riducevano considerevolmente i tempi di realizzazione della linea.
Il 1º aprile 1893 vennero inaugurate le due estremità della linea ossia i tratti da Mandas a Nurri e quello da Arbatax a Gairo. Il 16 novembre 1893 il tronco di Mandas giunse a Villanova Tulo mentre quello di Arbatax si spinse sino a Ussassai; nello stesso giorno venne inaugurata anche la breve diramazione Gairo-Jerzu di cui si parla a parte. I due tronchi ferroviari si unirono finalmente il 20 aprile 1894 con il completamento del tratto da Villanova Tulo a Ussassai; era ora possibile andare in treno da Arbatax a Cagliari in un tempo ragionevole. Nonostante venne realizzata un'opera considerata una vera e propria sfida progettuale, non mancarono ugualmente le critiche per il fatto che numerose stazioni furono costruite parecchio distanti dai rispettivi abitati.
Nel 1921 la linea passò alle Ferrovie Complementari della Sardegna insieme alle altre linee appartenenti alle Secondarie. Durante la seconda guerra mondiale sulla linea viaggiarono migliaia di persone in fuga da una Cagliari sotto l'assedio dei bombardamenti Alleati; anche la stazione di Arbatax venne bersagliata dalle bombe.
Dopo la guerra la linea riprese a funzionare regolarmente ma i tempi di percorrenza continuavano a rimanere alti per la tortuosità del percorso. L'inizio della motorizzazione di massa e la concorrenza degli autobus crearono evidenti problemi di competitività. Solo nel 1962 vennero introdotte sulla linea le nuove automotrici ed i locomotori diesel. Il nuovo parco mezzi ridusse considerevolmente i tempi di percorrenza lungo i 159 chilometi del tracciato ma nonostante ciò si parlò da più parti di una possibile chiusura della linea.
Nel 1989 dalla fusione tra le Complementari e le Strade Ferrate Sarde nacque la Gestione Governativa delle Ferrovie della Sardegna.
Nel 1997 le FdS passarono sotto il controllo delle FS la cui scure si abbatte sulla linea che venne chiusa al traffico di passeggeri ordinario e venne trasformata in linea turistica all'interno del progetto Trenino Verde.
Per gli scenari attraversati la Mandas-Arbatax è la più famosa linea turistica sarda del programma Trenino Verde ed una delle più apprezzate in Italia. Attualmente è la linea a scartamento ridotto più lunga d'Europa.
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