Впервые вопрос о постройке «чугунной» дороги для подвоза сырья на заводы Алапаевского горного округа возник за два года до открытия Нейво-Алапаевского металлургического завода — в 1822 году. Из-за высокой стоимости постройки дороги, рельсов, приобретения за границей паровозов и подвижного состава этот вопрос был отложен на неопределенное время. Спустя 20 лет, в 1847 году на Нейво-Алапаевском заводе был внедрён межцеховой рельсовый транспорт. Межцеховые пути имели ширину колеи 500 мм, по ним вручную передвигали вагонетки. Использовались рельсы, изготовленные заводом для железной дороги Петербург - Москва и частично забракованные приёмщиками.
В 1893 году управляющий горным округом француз А. Иллеро представил Главному Правлению Алапаевских заводов доклад о необходимости немедленно приступить к заготовке горючих материалов в лесах Алапаевской лесной дачи. Предполагалось строительство там углевыжигательных заведений, производящих древесный уголь, и узкоколейной железной дороги для связи с ними. Главное Правление находит эту идею разумной. Оно даёт указание приступить к составлению проекта и производству расчётов — как по углевыжигательным заведениям, так и по узкоколейной железной дороге шириной колеи 750 мм.
Почти все работы велись вручную — лишь иногда применялась конная тяга и разработка скального грунта с помощью динамита. Согнанные на строительство крестьяне из окрестных деревень сотнями гибли от непосильного труда и болезней.
При строительстве АУЖД первой очереди была такая же обстановка, которую отметил русский поэт Н.А.Некрасов в своем произведении:
«Прямо дороженька, насыпи узкие
Столбики, рельсы, мосты,
А по бокам-то – все косточки русские.
Сколько их, знаешь ли ты?»
Рабочее движение на некоторых участках было открыто уже в 1895 году. Хотя официально считается, что узкоколейная железная дорога была сдана в эксплуатацию в 1898 году.
В июле 1898 года состоялось официальное открытие железной дороги. К этому времени было построено 67 км ж/д. путей. Главная линия прошла от Алапаевского завода до станции Мугай через узловую станцию Яковлевская (бывшая Советская), где отходила ветка на Синячиху. Паровозное депо было построено на территории Алапаевского завода. Колея с самого начала установлена в 750 миллиметров.
В начальный период строительства первой очереди АУЖД укладывались рельсы лёгкого типа весом от 12 до 16 килограммов на метр длины. Впоследствии, начиная с 1913—1916 годов, стали применяться более тяжёлые рельсы. Ранее уложенным рельсам нашлось место на подъездных путях рудников, карьеров и лесосек.
Почти пятьдесят лет, со второй половины XIX столетия и до начала двадцатого, на Алапаевских заводах продолжалось «французское нашествие»: все они управлялись французами, в меньшей степени — другими иностранцами. Многие французы в то время жили в Алапаевске и принимали активное участие в руководстве строительством узкоколейной железной дороги. Одни из первых паровозов для дороги, типа «Компаунд», были заказаны в 1896 году именно во Франции (производитель — фирма «Маллет»). К моменту сдачи узкоколейной железной дороги во временную эксплуатацию в 1897 году было три таких паровоза и два паровоза типа «Танк-тендер», производства германской фирмы «Краус и Ко». Они были получены раньше французских — в конце 1895 года.
После сдачи в эксплуатацию всей первой очереди АУЖД в 1900 году, сразу же начинается строительство второй очереди. Главная линия продляется от 36 до 39 версты, в 1903 г. главная линия северо-западного направления была удлинена еще на 6 верст, т.е. от 39 версты до 45 версты, и от 45 версты построена ветка на Гаевское углевыжигательное заведение. От станции Мугай до Луковского заведения в 1903 году построили линию длиной 7 вёрст на конной тяге, которая в 1908 году была перестроена под паровозную тягу, и некоторые другие ветки.
Вдоль путей проводились линии телефонной связи. Полный штат рабочих и служащих Алапаевской узкоколейной железной дороги в 1900 году составлял 300 человек.
Скорость поездов была очень низкой. «Жители Верхней Синячихи хотя с 1900 года и имеют железнодорожную связь с Алапаевском, но предпочитают ходить пешком 12 вёрст, на преодоление которых у них уходит два часа, тогда как по узкоколейной железной дороге они затрачивали пять — шесть часов (26 вёрст)».
Строкинская линия АУЖД была построена к 1912 году. Тогда она имела протяжённость 27,5 версты — от станции Синячиха до Строкинского углевыжигательного заведения (теперь посёлок Строкинка). В 1913 году линия продлена через Чернышовку до Паньшинского заведения (16 километров). В 1913 г. на дороге работало 1034 человека. По состоянию на 1 января 1911 года, было 9 паровозов, вагонный парк насчитывал 25 модификаций двухосных вагонов в общем количестве 360 единиц. Часть из них (например, вагонетки для слитков) использовались только в цехах завода. Были три дрезины на железной раме, одна из них – «велосипедная», на одного человека. В 1913 году построено паровозное депо на станции Синячиха. В 1915 году два паровоза заказаны американской фирме «Болдвин». Морем их перевезли в разобранном виде из Нью-Йорка в Архангельск, затем на лошадях до станции Котлас, оттуда — по железной дороге в Алапаевск.
Запуск новой доменной печи на Верхне-Синячихинском заводе намного увеличил потребность в железной руде, угле и флюсе. Это повлекло за собой строительство новых узкоколейных подъездных путей к рудникам и внутри них. Зыряновская ветка (к посёлку Зыряновский, на Тягуновский рудник) с мостом через Нейву, предполагавшаяся к строительству ещё в 1902 году, начала строиться лишь в 1914 году, и сдана в эксплуатацию в 1915 году. Тогда же, в связи с войной и мобилизацией персонала, к работе на АУЖД привлекли китайских наёмных рабочих и военнопленных. Ветка от станции Ельничная до Бобровского углевыжигательного заведения (посёлок Бобровка, на картах — Бобровский), протяжённостью в 21 версту, отсыпана за лето 1916 года, и была сдана в эксплуатацию в 1917 году. Примерно одновременно с ней началось строительство паровозного депо на станции Ельничная. Революция временно прервала процесс строительства новых линий.
В период с 18 по 31 января 1918 года все заводы Алапаевского горного округа, а вместе с ними и АУЖД, были национализированы. В 1920 году началось строительство линии от Алапаевска на Нейво-Шайтанский завод (станция Сусан) длиной 40 километров. Этот завод, существовавший с 1710 года, прежде имел только гужевой транспорт. Дорогу строили силами рабочих и жителей посёлка Нейво-Шайтанского завода. Управление АУЖД выделило паровоз. Железная дорога была построена за один год. Получив её, коллектив завода увеличил производство. Сутунка, кровельное железо, лес — главные грузы, которые стали возить по этой линии. Разобрана она была в 2001 году.
В 1920-х годах старые импортные паровозы передавались (продавались) на другие узкоколейные железные дороги. Известно, что несколько паровозов было передано на Белорецкую узкоколейную железную дорогу. Вместо старых паровозов появлялись новые — отечественные, производства Коломенского завода. Они доставляли немало проблем паровозникам: на них наблюдалась постоянная течь дымогарных и жаровых труб. Администрация обвиняла паровозные бригады в халатности и вредительстве. К 1936 году Алапаевский, Нейво-Шайтанский и Верхне-Синячихинский заводы, отказавшись от потребления древесного угля, перешли на использование кокса и каменного угля. Внутризаводские пути в Алапаевске и Синячихе перешили на широкую колею. Основным грузом АУЖД стал лес. Длина путей достигла 279 километров.
В 1937 г. управление Алапаевского металлургического завода обратилось с ходатайством о выделении АУЖД в самостоятельную единицу. Совнархоз нашел это правильным, и дорога была передана тресту «Алапаевсклес», грузы которого составляли 70% от их общего объёма на дороге. Металлургический завод оставил себе все маневровые паровозы и четыре поездных паровоза (№№ 18, 19, 26, 35). За пропуск поездов по теперь уже «чужой» узкоколейной железной дороге он вынужден был вносить плату.
К 1939 году протяжённость путей возросла до 286 километров.
В этот год дорога приступила к перевозке новых грузов: деловой древесины, пиломатериала, шпал с мест заготовок на станцию Красная для лесобиржи треста «Алапаевсклес». Строкинская линия, которая изначально была ответвлением от главного хода дороги, становится её главной магистралью.
В годы Великой Отечественной Войны Алапаевская узкоколейная железная дорога напряжённо работала. Многие ее работники ушли в действующую армию. Но оставшийся на дороге коллектив стал еще более сплочённым и трудился, не зная сна и отдыха, во имя Победы. Один из бывших работников Алапаевской узкоколейной железной дороги, Харлов Алексей Гаврилович, посмертно стал Героем Советского Союза. Командир танковой роты 26-го гвардейского отдельного тяжёлого танкового полка (21-я армия, Ленинградский фронт) гвардии старший лейтенант Алексей Xарлов геройски погиб 21 июня 1944 года в бою за станцию Таммисуо, окрестности г. Выборга, Ленинградская область. В память о Герое Советского Союза Харлове Алексее Гавриловиче на территории депо Алапаевск установлена мемориальная доска. На северной окраине Алапаевска находится улица Алексея Харлова. В числе прочего, его именем был назван дизель-поезд Д1-584, который до 2000-х годов выполнял пригородные перевозки в окрестностях Выборга.
В 1949-1952 годах был построен участок Сусан (Нейво-Шайтанка) — Ясашная. В 1958-1961 годах был построен участок Муратково — Санкино. Рельсы Алапаевской узкоколейной железной дороги вышли на берег полноводной реки Туры. Вскоре началось строительство моста через Туру, который являлся (и до сих пор является) одним из крупнейших мостов на узкоколейных железных дорогах нашей страны. За Турой магистральная линия была продолжена, протянувшись на десятки километров в глубину малонаселённой местности. На 149 километре от Алапаевска появился посёлок Калач, ставшим самым дальним лесным посёлком на АУЖД. Посёлок Шемейное, расположенный немногим ближе Калача, появился до прихода в эти места рельсового пути, как и соседствующие с ним посёлки Бакарюка и Романовский. Цитата из материала Н.С. Шарина и П.Н. Ветлугина: «В послевоенное время УЖД развивается еще активнее. Непрерывно увеличивается длина путей, всё дальше в леса уходят многочисленные ветки. С 1961 года путейцы приступили к сварке рельсов длинными плетями. Ушла в историю заготовка шпал ручным способом, то есть пилой и топором. Сейчас на станции Ельничная дорога имеет свой шпалозавод, где ежегодно производится до 80 тысяч штук шпал. В Ельничной находится также депо и другие предприятия УЖД, теперь это — богатый и развивающийся посёлок железнодорожников.
Дорога имеет путеукладчики типа ППР-2, которые строят и разбирают временные пути, лесовозные усы. На станции Красная II по предложению начальника станции Байбородова построена и введена в эксплуатацию сортировочная горка, что увеличило перерабатывающую способность станции в 4 раза. Слаженно работает коллектив станции Алапаевск II, борющийся за звание «Коллектив коммунистического труда». Построено новое здание станции. Им может гордиться Алапаевск — это красивые ворота города с южной стороны. На станции образцовая чистота. К услугам пассажиров — парикмахерские, буфет, читальная комната и другие культурные услуги».
В 1960-х годах началась замена паровозов тепловозами ТУ2 (в 1967 году их было шесть). Пассажирский поезд в те же годы курсировал ежедневно и состоял уже из цельнометаллических вагонов, «прекрасно оборудованных внутри». Тепловозы ТУ-2 прибыли в Алапаевск в 1958-1961 годах, находились в эксплуатации до 1982 года. Работали тепловозы ТУ2-063, ТУ2-153, ТУ2-162, ТУ2-163, ТУ2-169, ТУ2-181, ТУ2-207, ТУ2-212, ТУ2-249, ТУ2-258. Возможно, были также ТУ2-008, ТУ2-114, ТУ2-166. Имелся один тепловоз ТУ-3.
Наивысшее достижение дороги приходится на 1965 г., когда леса было перевезено 1,5 млн.м3. На дороге работало 2000 человек, протяженность составляла 660 км. (По протяженности она была самой длинной не только в СССР, но и в Европе.)
До 1970-х годов работали паровозы 157 (не менее 9 единиц), ВП1, ВП4, Кч4, Гр, ВТ1, мотовозы МУЗ4 и МД54.
По состоянию на 1 января 1968 года, было учтено 28 паровозов, 13 тепловозов и 5 мотовозов.
По состоянию на 1981 год, было учтено 6 тепловозов ТУ2, 9 ТУ4, 11 ТУ6А, 24 ТУ7.
На 1991 год было учтено 19 тепловозов ТУ-4, 16 тепловозов ТУ-6А, 18 тепловозов ТУ7/ТУ7А.
Ещё одна загадочная страница истории АУЖД в 1960-х годах — электрификация её небольшого участка на Нейво-Шайтанском металлургическом заводе (станция Сусан). Данный участок принадлежал Нейво-Шайтанскому заводу и в статистические отчёты АУЖД не включался. Точная дата открытия движения на электрической тяге не выяснена (ориентировочно середина 1960-х годов). С высокой степенью достоверности известно, что в 1970-х годах там работали электровозы, поставленные из дружественной ГДР. Вплоть до начала 1990-х годов электротяга использовалась в межцеховых перевозках.
С 1970-х годов строительство новых магистральных линий было прекращено. Опустели многие лесные посёлки — в 1970-х годах по стране прокатилась кампания по массовой ликвидации «неперспективных» леспромхозовских посёлков. Однако закрытие неперспективных посёлков не означало прекращения развития дороги — оно прервалось лишь в конце 1980-х годов, в связи с общим ухудшением экономической ситуации. 1970-е годы следует признать пиком развития АУЖД. Вместе с тем, тогда были разобраны некоторые участки: линия Ясашная — Сусан (посёлок Нейво-Шайтанский), промышленная ветка Алапаевск — Зыряновка. Впоследствии Алапаевский металлургический завод (предприятие, породившее узкоколейную железную дорогу) полностью отказался от перевозок по узкой колее. Линия, ведущая на завод, была разобрана. «Крайней точкой» стал вокзал Алапаевск II, лишившийся своих парикмахерских и читальных залов, но по-прежнему каждый вечер отправлявший пассажирский поезд на Санкино.
Магистральные тепловозы ТУ2 на АУЖД проработали сравнительно недолго. В 1980-е годы почти все они были списаны и порезаны, либо переданы на другие линии узкой колеи, где их использование представлялось более целесообразным. Один из сохранившихся тепловозов ТУ2 (ТУ2-169) в 1988 году, к 90-летию дороги, был установлен на территории депо Алапаевск в качестве памятника (рядом была установлена старая вагонетка — скорее всего, в виде макета). Ни одного паровоза, пригодного для установки на вечную стоянку в качестве памятника, к тому времени уже не нашлось. Ещё один сохранённый тепловоз ТУ2 (скорее всего, ТУ2-249) был переоборудован в путевую машину — несамоходный снегоочиститель, продувающий пути и стрелочные переводы. По сегодняшний день эта машина продолжает использоваться по назначению.
Наиболее распространённым типом локомотивов АУЖД стали тепловозы ТУ4. Позднее поступала новая техника — тепловозы ТУ-6А, ТУ-7, ТУ-8. Но их успели приобрести сравнительно немного, поэтому ТУ-4 и поныне находятся в большинстве.
На главной магистрали Алапаевск — Калач были внедрены такие нехарактерные для большинства узкоколейных железных дорог новшества, как светофоры, электрическая централизация стрелок, автотормоза подвижного состава, и многое другое. Новые пассажирские вагоны последний раз поставлялись в 1986 году.
По данным «Краткой характеристики» 1990-х годов, «с 1970 года АУЖД полностью перешла на тепловозную тягу. Имеется более сорока единиц локомотивов. Подвижной состав насчитывает до 1000 вагонов. Основной способ связи по движению поездов — электрожезловая и полуавтоматическая блокировка. Электрифицировано 104 стрелочных перевода. В пути уложены рельсы Р-24, Р-33 на асбестовой балластной подушке. Численность работающих на АУЖД — 500 человек. Принцип управления и структура построения АУЖД полностью соответствуют структуре железных дорог МПС. За год перевозится до 50 тысяч пассажиров.» В 1990 году было отмечено 95-летие Алапаевской узкоколейной железной дороги. «Точкой отсчёта» тогда был взят 1895 год (открытие рабочего движения), а не 1898 год (ввод в постоянную эксплуатацию), как было принято позднее. Благодаря усилиям Василия Ивановича Харлова и других энтузиастов-исследователей истории дороги на территории алапаевского депо был создан музей АУЖД. В.И. Харлов родился в деревне Толмачёво Алапаевского района в феврале 1925 года, на протяжении многих десятилетий работал на АУЖД.
С 1990-х годов в России началась «обвальная» ликвидация узкоколейных железных дорог. Благодаря своим масштабам, крупнейшая сеть узкоколейных железных дорог не могла быть разрушена единовременно и полностью (в отличие от многих других, более коротких узкоколейных железных дорог, которые были полностью ликвидированы за короткое время). Процесс деградации на АУЖД развивался постепенно. Усугубил ситуацию тот факт, что переход на новую форму экономических отношений по времени совпал с истощением лесных запасов на большинстве линий АУЖД. В 1980-х годах поток составов с лесом был настолько плотным, что ощущалась нехватка разъездов для их скрещения, спустя несколько лет объёмы вывоза леса сократились во много десятков раз. С начала 1990-х годов было прекращено движение на станцию Сусан (посёлок Нейво-Шайтанка). Нейво-Шайтанский металлургический завод был закрыт и разрушен. Контактная сеть на электрифицированном участке была снята. Вскоре были сняты и пути на станции Сусан, разобран перегон Сусан — Озеро.
Трест «Алапаевсклес» (владелец Алапаевской узкоколейной железной дороги) был акционирован, превратившись в АО «Алапаевсклес». Содержание узкоколейной железной дороги приносило этому предприятию значительные убытки.
По состоянию на 1999 год, на «Сусанской линии» ещё сохранялись редкие (по 5-8 пар поездов в месяц, только в летнее время) перевозки асбестовых материалов (маршрут Асбест — Озеро — Красная II). В том же году по-прежнему ежедневно курсировал пассажирский поезд сообщением Алапаевск — Санкино (с вагонами на Берёзовку и Гаранинку) и согласованный с ним поезд сообщением Санкино — Калач. Пассажирский поезд по маршруту Синячиха — Полудёнка (посёлок Зенковка) курсировал по трём дням недели.
Главным событием 1990-х годов стало изменение принадлежности АУЖД. Она вышла из подчинения АО «Алапаевсклес», и была передана в муниципальную собственность. Было образовано муниципальное унитарное предприятие (МУП) «Алапаевская узкоколейная железная дорога», позднее переименованное в МУП «Узкоколейная железная дорога Алапаевского района». На 01.01.1995г. численность составляла 692 чел., общая протяженность всех путей 420 км.
В декабре 1999 года был ликвидирован вокзал Алапаевск II. На территории депо Алапаевск, в одном из уже имевшихся к тому моменту зданий, был оборудован новый зал ожидания. Кроме того, вблизи депо был построен новый тупик и низкая посадочная платформа. Участок линии от депо Алапаевск до вокзала Алапаевск II вскоре был разобран. Таким образом, протяжённость главной магистрали Алапаевск — Калач уменьшилась на 2 километра.
Постановлением администрации Алапаевского района Свердловской области от 20 января 2001 были сокращены размеры пассажирского движения. Пассажирский поезд сообщением Алапаевск — Санкино и согласованные с ним поезда на Калач, Берёзовку и Гаранинку стали курсировать лишь четыре раза в неделю. До этого момента движение было ежедневным. В октябре 2004 года скончался хранитель музея АУЖД, участник Великой Отечественной войны, ветеран-железнодорожник В. И. Харлов. Он внёс огромный вклад в сохранение истории узкоколейной железной дороги. В 2005 году была закончена разборка линии Полудёнка — Ясашная. Общая протяжённость линий Алапаевской узкоколейной железной дороги (без учёта станционных путей) сократилась приблизительно до 245 километров. Было закрыто депо Полудёнка. Поезд сообщением Полудёнка — Угольная стал обслуживаться тепловозами депо Ельничная. Его маршрут был продлён от станции Угольная до станции Ельничная. Силами депо Алапаевск был построен вагон-храм — единственный на узкоколейных железных дорогах России. Возобновилась перевозка леса (в крайне незначительном объёме). Предпринимаются попытки организовать туристические перевозки.
В конце 2007 года почти завершилось выселение посёлка Зенковка. Прекратилось пассажирское движение на участке Советская — Полудёнка. Было закрыто депо Калач.
В 2008 году был разобран участок Алапаевской узкоколейной железной дороги — линия Советская — Мугай — Полудёнка.
С 2008 года протяжённость оставшихся линий Алапаевской узкоколейной железной дороги составляет 215 километров. Сохранились исключительно линии с пассажирским движением, а также небольшой участок к северу от станции Калач, до кладбища.
Губернатор Свердловской области А. С. Мишарин, назначенный на эту должность в ноябре 2009 года вместо Э.Э. Росселя, публично упоминал Алапаевскую узкоколейную железную дорогу. Им были даны публичные обещания сохранить пассажирское движение и добиться ремонта узкоколейной железной дороги.
По состоянию на 2012 год, Алапаевская узкоколейная железная дорога остается действующей на участках Алапаевск — Калач, Ельничная — Гаранинка, Чернышовка — Берёзовка. Узкоколейная железная дорога будет работать до тех пор, пока существуют и лишены автомобильного сообщения посёлки, в которые она ведёт.