La breve linea, lunga poco meno di 10 km, nacque come ripiego dopo che era andato a monte il propugnato progetto di una ferrovia che collegasse Castel Bolognese e i comuni della vallata del Senio con Firenze. La costruzione della transappenninica Faentina, inaugurata nel 1893, ne aveva infatti annullata la validità. Rimase il progetto di collegamento del comune di Riolo, nel quale erano presenti le conosciutissime Terme di Riolo; si riteneva infatti che il collegamento ferroviario con l'importante linea ferroviaria Bologna-Ancona, ne avrebbe incentivato il turismo. Il progetto venne approvato il 23 luglio 1912 e i lavori, condotti dall'impresa Laviosa & Callegari condussero all'inaugurazione avvenuta il 23 agosto 1914.
La linea, a scartamento ordinario, aveva origine dalla propria stazione di Castel Bolognese il cui fabbricato viaggiatori era posto di fronte a quello delle Ferrovie dello Stato. Con questa aveva in comune il fascio binari per le carrozze ed era raccordata per la comunicazione tra le due reti e ciò consentiva l'inoltro periodico di una carrozza diretta per Riolo Terme delle Ferrovie dello Stato.
Paolo Grandi, Binari nella valle del Senio. La ferrovia Castel Bolognese-Riolo Terme (1914-1933). I trasporti nella valle del Senio prima e dopo la ferrovia, Imola, Corso Bacchilega, 2004, ISBN88-88775-16-1.
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