La Carnia - Tolmezzo - Villa Santina viene aperta nel 1910 dalla Società Veneta come prima parte di un ambizioso progetto che avrebbe dovuto collegare Trieste con Monaco via Carnia - Dobbiaco - Brennero - Innsbruck. Inoltre un altro progetto avrebbe voluto la realizzazione di una linea che utilizzasse il passo di Monte Croce Carnico per raggiungere l'Austria, sgravando così di treni la vecchia Pontebbana che a quel tempo era estrememamente trafficata.
Dalla linea si staccavano poi due linee a scartamento ridotto: la Tolmezzo - Paluzza - Moscardo ("Tranvia del But") e la Villa Santina - Comeglians ("Tranvia del Degano"); entrambe utilizzavano uno scartamento di 750 mm e vennero chiuse entro il 1935. Della seconda si riconoscono ancora diverse tracce e buona parte del tracciato è percorribile anche se interdetto dalle leggi forestali regionali (nessuno impedisce di percorrerlo in bici...).
Tornando alla linea, si può dire che aveva una discreta importanza come ramo secondario poichè esisteva una relazione diretta Udine - Villa Santina; la trazione dei treni era affidata alle locomotive tipo 32 della S.V., le T3 italiane. Tali macchine restarono in servizio regolare sulla linea fino alla soppressione del traffico passeggeri, l'11 maggio 1960, e alla soppressione del traffico merci, con la chiusura definitiva della linea, il 23 novembre 1967.