I primi studi per la costruzione di due collegamenti ferroviari fra Cuneo, Saluzzo e Mondovì furono realizzati precedentemente al 1855, ed il secondo fu altresì inserito nell'ambito dello stanziamento previsto con legge del maggio 1865, successivamente alla quale la stessa deputazione provinciale si era detta disposta a farsi carico dell'intero importo necessario[2].
Con legge del 29 luglio 1879 venne infine approvata la costruzione della Cuneo-Mondovì quale ferrovia complementare per la quale parte dei costi sarebbero stati coperti dallo Stato e, in seguito fu approvato fra i diversi tracciati proposti quello progettato dagli ingegneri Allasia e Soldati passante per Beinette[2].
La prima tratta e più impegnativa da Roccadebaldi a Cuneo, comprendente anche il ponte sul Gesso e lunga 19,846 km, fu attivata formalmente il 2 ottobre 1887; ad essa fece seguito il completamento fra Mondovì e Roccadebaldi, lungo 6,210 km, inaugurato il 18 febbraio 1888[3]. La spesa complessiva per la costruzione della linea ammontò a quasi sei milioni di lire[2].
Sopravvissuta pressoché indenne alle due guerre mondiali, la linea fu oggetto di significativi ammodernamenti dapprima nel 1989, con la sostituzione delle rotaie con altre di maggiore massa[4] e poi nel 1994 quando, nonostante la già ventilata ipotesi di soppressione, fu istituito il Dirigente Centrale Operativo[5].
A causa del crollo del ponte sul Gesso avvenuto in conseguenza all'alluvione del 1996[6] la circolazione fu sospesa fino al 2003 nell'intera tratta compresa fra l'uscita della stazione di Cuneo Gesso fino a Mondovì. In tale periodo rimase il solo servizio merci sotto forma di tradotte[7].
Dopo un accurato lavoro di ripristino, la linea venne riaperta al traffico nel 2006.
Considerati i soli dati di frequentazione, nel 2012 la ferrovia fu inserita dalla Regione Piemonte, in grave crisi finanziaria, fra le linee da escludere dal contratto di servizio con Trenitalia: l'intero servizio ferroviario fu soppresso a partire dal 17 giugno 2012[8].
Nell'anno 2016 è stato presentato, a Torino, il progetto di mobilità MetroGranda, una linea di metropolitana leggera ideata per collegare i principali centri della provincia di Cuneo sfruttando le vecchie linee Savigliano-Saluzzo-Cuneo, Cuneo-Mondovì, Mondovì-Bastia Mondovì, Bastia-Bra, Bra-Cavallermaggiore, Cavallermaggiore-Savigliano. Il progetto prevederebbe quindi la ricostruzione della linea Mondovì-Bastia e un ripristino delle linee Bastia-Bra, Mondovì-Cuneo e Cuneo-Saluzzo-Savigliano. Non sono però al momento previsti finanziamenti.[9]
Lasciata la monumentale stazione di Cuneo (già Cuneo Altipiano) e impegnato uno dei due binari posti su viadotto che costituivano la linea di raccordo che aggira la città, la ferrovia volge verso est fino a Cuneo Gesso.
Superato l'omonimo torrente e lasciata sulla destra l'antica diramazione per Boves, i treni raggiungevano Beinette; poi la linea si avvicina alla statale e prosegue fino a toccare la fermata di Margarita e la stazione di Pianfei.
Fin dall'apertura la linea fu interessata da un movimento passeggeri prevalentemente locale con treni che fino al 1985 proseguivano sulla ferrovia Bastia Mondovì-Mondovì raggiungendo, grazie alla presenza della stazione di Mondovì Breo, il centro cittadino.
Ad esso si aggiungeva un traffico merci non trascurabile anche in virtù della presenza a Cuneo del raccordo con il locale stabilimento Michelin; tale flusso, abbinato a quello di legname per un'altra azienda raccordata, cessò definitivamente nel 2009.
Rete Ferroviaria Italiana, Fascicolo Linea 7, RFI, prima pubblicazione dicembre 2003, ISBN non esistente. URL consultato il 12 ottobre 2015 (archiviato dall'url originale l'8 agosto 2014).
Luigi Ballatore, Storia delle ferrovie in Piemonte, Torino, Editrice Il Punto, 2002. ISBN 88-88552-00-6.