La ligne a été déclarée d’utilité publique, par la loi du 19 juin 1868. Elle a été mise en service par l’Administration des chemins de fer de l’Etat de Joué-lès-Tours à Loches le 15 juillet 1878, de Loches à Châtillon-sur-Indre le 27 octobre 1879, et de Châtillon à Châteauroux le 18 juillet 1880. Partie d’un itinéraire de Tours à Montluçon, elle a été cédée par l’État à la Compagnie du Chemin Fer de Paris à Orléans en 1883.
Intégrée plus tard dans le réseau SNCF, la section Loches – Châteauroux est fermée au trafic voyageurs au début des années 70, puis, en 2011, c’est la section Buzançais – Loches (45 Km) qui est fermée au trafic frêt, imposant un allongement du parcours de 120 Km de l’Indre vers les ports de l’Atlantique en passant par Vierzon.