Már az 1920-as, 1930-as években több ötlet született arra, hogy vasúttal tegyék jobban elérhetővé a budai hegyeket, de a megvalósítás váratott magára. A második világháború utáni újjáépítés során vetődött fel, hogy olyan kisvasutat építsenek, amelyet a gyermekek működtetnek. Az ötlet ellenzői kételkedtek abban, hogy iskolások képesek lennének felelősségteljesen ellátni a szolgálatot, velük szemben érvként azt hozták fel, hogy a Szovjetunióban és Jugoszláviában már működött hasonló kisvasút. Helyszínként szóba jött Gödöllő, a Margitsziget, a Népliget, de végül – a nehéz terepviszonyok ellenére is – a látványosabb budai hegyek mellett döntöttek. Ebben szerepe volt annak is, hogy itt épült a Csillebérci Úttörőtábor, amely akkor más tömegközlekedési eszközzel nem volt elérhető.
A nyomvonal északi végpontjának Zugligetet tervezték, egy szárnyvonallal a mai Szépjuhászné és Budakeszi között. A szintkülönbség azonban túl nagynak bizonyult, így a végállomás a távolabbi Hűvösvölgy lett, a pálya a fogaskerekű Széchenyi-hegyi végállomását és a hűvösvölgyi villamos-végállomást köti össze. A nyomvonal tervezésénél az erdők kímélése mellett hangsúlyt kapott az is, hogy a kisvasút közelítse meg a fontosabb kirándulóhelyeket: a Széchenyi-kilátót, a János-hegyet, a Normafa-lejtőt, Makkosmáriát, a Hárs-hegyi kilátót, közben az utasok előtt táruljon fel Budapest panorámája. A döntést az úttörőmozgalom lapja, a Pajtás közölte az 1848. március 15-i forradalom centenáriumán megjelent ünnepi számában.
A vonal a budai hegyvidék középső részének erdeiben észak-déli irányban kanyarog, a 231 méter magasan fekvő Hűvösvölgy és a 466 méteres Széchenyi-hegy között 235 méter szintkülönbséget győz le, ez átlagosan 2,1 százalékos emelkedőt jelent. A Kis-Hárshegy alatt 198 méter hosszú alagút épült, amely ugyan nélkülözhető lett volna, de úgy gondolták, egy hegyi kisvasút nem az igazi alagút nélkül, a Budakeszi út fölött 12 méteres, a Nagykovácsi út fölött 29 méteres híd készült. A 760 mm-es, keskenynyomtávú vasutat Ertl Róbert tervezte, az állomásépületek Fodor Jenő tervei szerint épültek. A vasúti kocsik egy része az Úttörővasút számára készült, további járműveket más kisvasutakról irányítottak át. A szerelvényeket kezdetben gőzmozdonyok húzták, ezeket később dízelmozdonyok váltották fel.
Az első kapavágást 1948. április 11-én tették a vasútépítő ifjúsági brigádok, az építkezésen nyolcszáz ember egymillió munkaórát dolgozott. Amikor a vonal Csillebércnél elérte az erdőt, a kitűző munkások változtattak a nyomvonalon, hogy ne kelljen két öreg tölgyfát kivágni. Az építéssel egy időben kezdődött az úttörővasutas pajtások kiképzése is a MÁV oktatási központokban, ide csak jeles és jó érdemrenddel rendelkező tanulókat vettek fel, de a túljelentkezés így is sokszoros volt. Az Úttörővasúton évente csaknem hatszáz gyerek teljesített szolgálatot, ők látták el a forgalomirányítói, a pénztárosi, a kalauzi teendőket és a postai feladatokat, eközben fegyelemre, önállóságra, szervezőkészségre tettek szert. A felnőttek, a mozdonyvezetőket kivéve, csak felügyeleti jogokkal rendelkeztek.
Az első három kilométeres szakaszt 66 munkanap után, 1948. július 31-én adták át a Széchenyi-hegy és az Előre állomás (ma Virágvölgy) között. Az első piros kisvonat elindítására Gerő Ernő közlekedési miniszter adott engedélyt, az ünnepségre az egész országból érkeztek úttörők. A vendégek, köztük Rákosi Mátyás kommunista pártfőtitkár és Dinnyés Lajos miniszterelnök először Úttörőváros állomásig utaztak, ahol részt vettek a csillebérci tábor megnyitó ünnepségén, majd a különvonatokra visszaszállva megtették az utolsó megállót is. A pályát egy évvel később Ságváriliget (ma Szépjuhászné) állomásig hosszabbították meg, a teljes vonalat 1950. augusztus 19-én helyezték üzembe. A forgalom egy nappal később, a kommunista alkotmány hatályba lépésének egyéves évfordulóján indult meg.
A 11,2 kilométeres pályán hét állomás és két táblás megállóhely található, a teljes menetidő 45-50 perc. A vasút tervezési sebessége először 35 km/óra volt, de a harmadik szakasz ívei és 3,4 százalékos legnagyobb meredeksége miatt ez csak 20 km/óra lett. Az alumíniumvázas első kocsikból sajnos egy sem maradt, az első mozdonyok egyike Hűvösvölgyben, egy későbbi dízelmozdony a Széchenyi-hegyen látható, Hűvösvölgy állomásnál tekinthető meg a Gyermekvasút Múzeum.
A vasút fénykorát a hetvenes évekig élte, a felavatás után az utasok száma évről évre nőtt, a csúcsnak számító 1961-ben 800 ezer kiránduló utazott a szerelvényeken. A rendszerváltás után, 1990-ben Gyermekvasútra keresztelték át, új nevet kaptak az úttörőmozgalomra utaló megállók, a gyermekvasutasok vörös nyakkendőjét kékre cserélték. A kisvasút iránt csökkent az érdeklődés, az utasszám a 2000-es évek elejére 300 ezer körül állapodott meg, de az elmúlt években ismét egyre népszerűbbé vált. A leromlott pályát 1989-ben felújították, majd 1998-ban, az első szakasz átadásának ötvenedik évfordulóján újabb nagyarányú felújítást végeztek, idén nyárra megújult a Gyermekvasút hűvösvölgyi végállomása. A régi gőzmozdonyok vontatta nosztalgiavonatok közlekedése 1991-ben indult meg. A Gyermekvasút 2015-ben bekerült a Guinness-rekordok közé, mint a világ leghosszabb vasútvonala, ahol a forgalmi és kereskedelmi szolgálatot gyermekek látják el.
