A világon az első gyermekvasutat Moszkvában, a Szovjetunióban nyitották meg 1932-ben. Ezt követte a az 1935-ben Tifliszben (ma Tbiliszi, Grúzia) átadott gyermekvasút, majd 15 további a második világháború végéig.
1945 után a kommunista szatellit országokban szovjet mintára indult meg a gyermekvasutak építése az 1950-1960-as évektől.
Magyarországon 1947-ben hoztak állami döntést a Magyar Államvasutak (MÁV) üzemeltetésében működő gyermekvasút létesítéséről. Több helyszín is szóba került (pl. Gödöllő, Margitsziget, Népliget), végül a Budai-hegységre esett a választás, ugyanis időközben határozat született a csillebérci Úttörő Köztársaság (vagy Úttörőváros) létesítéséről, aminek a megközelítését a gyermekvasút biztosíthatta.
A 760 mm-es nyomtávú vasútvonal építése 1948. április 11-én indult, és az első 3 km-es szakaszt Széchenyihegy és Virágvölgy között 1948. július 31-én adták át ünnepélyes keretek között. A gyermekvasutat ekkor már Úttörővasútnak nevezték és a MÁV oktatói által felkészített, vasutas egyenruhás úttörők működtették. Szintén erre a napra időzítették a júliusban, rohammunkával, néhány hét alatt felépített Úttörő Köztársaság avatását is.
A pályát a következő években két fázisban bővítették. 1949 júniusig a Szépjuhásznéig (6,7 km), 1950. augusztus 20-ára Hűvösvölgyig (11,2 km) készült el az egyvágányú pálya. 1951-ben a Hűvösvölgyi végállomáson túl vontatási telep és három vágányos járműkarbantartó csarnok épült. A széchenyihegyi motorszín és tárolóvágányok azóta járművek napközbeni tárolására, valamint a nyári kocsik téli őrzésére szolgálnak.
A gyermekvasút vonalán számos mozdony, motorvonat és személykocsi működött, például 490-es sorozatú gőzmozdonyok, MK48 és MK49 diesel mozdonyok, Bamot motorkocsik. 1973 óta a vontatást Mk45 (L45H) lokomotívok végzik, de különleges alkalmakkor a régebbi gőzős- és dízelüzemű mozdonyok, személykocsik is munkába állnak.
Az Úttörővasút nevét 1990-ben a rendszerváltás során Gyermekvasútra változtatták. A gyermekvasút 1961-ben érte el utasszámának csúcsát, amikor mintegy 800 000 utasa volt. A mélypont a rendszerváltás utáni években következett be, 1993-ban mindössze 94 000 utast szállított. Azóta a számok javultak, az éves utasszám stabilan 300-400 ezer között mozog.
A budapesti Gyermekvasút a maga nemében egyedülálló. 2015-ben bekerült a Guinness-rekordok közé: 11,7018 kilométeres vonalával a világ leghosszabb olyan vasútvonala, ahol a forgalmi és kereskedelmi szolgálatot gyermekek látják el.
