Il primo collegamento ferroviario tra Siena e Grosseto fu completato nel 1872: si trattava di una diramazione della ferrovia Centrale Toscana presso la stazione di Asciano, che proseguiva verso sud-ovest attraversando la Val d'Orcia fino a raggiungere la ferrovia Tirrenica, inaugurata 8 anni prima, all'altezza della stazione di Montepescali. La ferrovia riscosse un notevole successo, tanto che nei primi anni del secolo seguente si iniziò a pensare di investire sull'asse Siena-Grosseto costruendo una nuova ferrovia che collegasse direttamente le due città.
Nel 1910 la Société Française de Chemins de Fer en Toscane ottenne la concessione della linea ferroviaria che, sulla base di un progetto approvato già nel 1906[4], avrebbe collegato Siena e Grosseto passando per Buonconvento e allacciandosi alla ferrovia Asciano-Grosseto presso la stazione di Monte Antico. Tutt'oggi la chilometrica della ferrovia Siena-Grosseto riflette quella del suo tracciato originale: da Grosseto viene mantenuta la progressiva chilometrica della ferrovia Tirrenica fino ad Asciano; alla stazione di Monte Antico si trova invece il km zero della linea passante per Buonconvento.
I lavori di costruzione della nuova linea iniziarono nel 1923[5], dopo che due anni prima la concessione era passata alla Società Italiana per Imprese Ferroviarie e Lavori Pubblici (SIF)[6]. La linea riprese in gran parte la sede di una preesistente ferrovia mineraria che dalle miniere di lignite di Murlo conduceva alla stazione di Monte Antico[7]. Inaugurata il 30 maggio 1927, la linea si attestava inizialmente presso la stazione di Siena Madonnina Rossa, situata a est della città nel punto di confluenza con la ferrovia Siena-Chiusi, in attesa del completamento della nuova stazione di Siena, avvenuto nel 1935[8]. La ferrovia subì ingenti danni durante la seconda guerra mondiale e riprese a funzionare soltanto nel 1951[9]; la SIF mantenne la concessione della linea fino al 1955, quando la ferrovia passò in gestione a Ferrovie dello Stato (FS). Il 16 giugno 1966[10] la ferrovia venne chiusa a causa dei danni provocati da un'alluvione[11] e fu riaperta solo nel maggio 1980, dopo essere stata oggetto di lavori di ammodernamento tecnico con l'introduzione di un sistema di controllo centralizzato del traffico[12].
^Adriano Betti Carboncini, Ferrovie e industrie in Toscana: linee secondarie e industriali in Maremma e nell'isola d'Elba, Calosci, Cortona (AR), 2002, p. 314.
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