Der herbe Charme der Südtiroler Gebirgslandschaften war für die großbürgerlichen Touristen der „Belle Époque“ eine besondere Attraktion. Besonders deshalb dachte man bereits um 1900 daran, die abgelegenen
Täler durch Eisenbahnen zu erschließen und touristisch aufzuwerten. In jener Zeit des Aufbruchs und weit verbreiteten Fortschrittsglaubens gab es zahlreiche Machbarkeitsstudien, um das südliche Tirol mit einem weit verzweigten Bahnnetz zu durchziehen.
Beschleunigt wurde die Erschließung durch den Ausbruch des Ersten Weltkriegs. Zur Versorgung der Dolomitenfront erzwang die österreichischungarische Militärverwaltung im Rekordtempo nach dem Bau der Grödner Bahn von Klausen ausgehend (Inbetriebnahme 1916) auch den Bau der Fleimstalbahn auf der Strecke Auer–Cavalese (Inbetriebnahme 1917) und Cavalese–Predazzo (Inbetriebnahme 1918). Die Bauleitung beider Linien lag bei einer Militärdienststelle unter Oberst Julius Khu, unterstützt vom Ziviltechniker Ing. Leopold Örley. Das schwierige Steilstück zwischen km 6 und 18 baute das Innsbrucker Bauunternehmen von Josef Riehl.
Die Trasse mit 760 mm Spurweite war – nach dem Projekt von Josef Riehl, des „Eisenbahnvater Tirols“ – bereits für einen späteren Meterspurbetrieb ausgelegt. Die Tunnelprofile erlaubten zudem eine sukzessive Elektrifizierung der Bahn.
In den 1950er-Jahren erlebte die Fleimstalbahn dank des boomenden Tourismus ihre wirtschaftlich erfolgreichste Zeit: Rund 100.000 Fahrgäste nutzten jährlich die Strecke. Dazu kamen täglich etwa zwölf Waggons mit Gütern, Holz, Feldspat und anderen Mineralien.
Ausgangspunkt der Bahn war das an der Etsch gelegene Auer – ein Ort, der durch seine Entfernung von der Front logistische Vorteile bot. In Auer entstand der größte schmalspurige Verschub- und Abstellbahnhof der Donaumonarchie. Der 35 km lange Abschnitt Auer–Cavalese war ab Juni 1917 durchgehend befahrbar. Das anschließende 16 km lange Teilstück bis Predazzo konnte erst Anfang 1918 eröffnet werden. Damit wurde der erste (1906) Postautobusdienst Österreich-Ungarns auf der Strecke Auer–Predazzo überflüssig. 1929 erfolgte der Umbau auf Meterspur sowie die vollständige Elektrifizierung der Strecke. Die Stilllegung erfolgte am 16. Januar 1963.