修建原因
浙江省是個少煤缺油、能源不足的省份，而在該省西北長興與皖南廣德交界處則有較豐富的煤炭資源。早在民國時期，浙江省長興煤礦公司為解決長興縣合溪鄉煤炭外運困難，於1919年勘測從礦場各礦點直達長興五里橋的運煤鐵路支線，1920年經批准計畫用35磅/碼（16公斤/米）輕軌建設輕便鐵路24公里，另加站線6公里共30公里。該支線1921年3月動工，1922年6月竣工通車，使煤礦的煤炭得以源源不斷運至長興，再轉水路運至浙江各地。該支線建築費連同機車3台、車輛33輛的資金由煤礦公司以股份有限公司名義籌集。
線路改造
1958年，浙江省人民政府為儘快爭取省內煤炭自給，進一步開發長廣煤礦資源，由鐵道兵負責對牛頭山至長興的窄軌鐵路進行技術改造，於1959年4月全面動工，1960年8月竣工，10月1日正式通車，正線42.3公里全部改為標準軌距。
杭牛鐵路在改造長廣煤礦長牛支線的同時，1958年由鐵道部設計部門負責勘測設計南京至杭州間的鐵路，最初由設計部門委託上海同濟大學擔任勘測設計。杭州至湖州段線路，原來打算經德清沿大運河而行，但由於所經地區都是淤泥水網地區，路基不穩定，而且占用桑田較多，後來根據浙江省人民政府提出的意見，改走餘杭、武康線路，由設計部門於1959年進行改測。全線按磚級鐵路單線標準設計，限制坡度為4‰，最小曲線半徑1200米。全線隧道及主要橋樑涵渠由鐵道兵擔任施工。南段長興至杭州段由浙江省成立杭長鐵路修建指揮部，組織民工1.9萬人進行路基土石方施工。1959年開工，至1961年8月因貫徹調整方針全線停建。此時線路土石方工程已完成80%，大橋完成80%，隧道四座除白鶴嶺一座未完成外，其餘均基本完成。1968年，浙江省成立長湖鐵路指揮部，復建長興至湖州段，於1970年7月1日建成通車。同年9月，經國家批准由國家與地方投資續建湖州至杭州段，並於1972年1月底建成通車。
建成通車
杭牛鐵路於1972年正式開行客貨列車。最初由浙江省成立的杭長鐵路管理處管理，1973年移交杭州鐵路分局管理。這條鐵路修建時，由於受資金限制及採取邊勘測、邊設計、邊施工、邊使用等原因，線路質量差，客貨運設備欠缺，給辦理運輸帶來一定困難。杭州鐵路分局接管杭牛鐵路後，先後在沿線各站安裝了色燈電鎖器及繼電半自動閉塞設備，長興、湖州等站還擴建了候車室和貨物倉庫；對影響行車安全的區段進行改線；對全長1236米的彭公隧道的病害加以整治，使線路面貌煥然一新。杭州鐵路分局在改善線路設備的同時，加強運輸組織工作，將占分局煤炭運量70%以上的長廣煤炭納入運輸方案，按各礦點及卸車站能力，定量送空車，並分別組織到浙贛線、蕭甬線通過編組站不改編的管內直達列車，加速運送。在這條鐵路上，浙江水泥廠的水泥運量也占分局水泥總運量的50%左右，還有糧食等主要物資的運輸，分局都組織按計畫優先裝車，滿足了浙江省基建及支援省外物資部門的需要。
