В июне 1912 года акционерное общество Троицкой железной дороги приступило к строительству железнодорожной линии от станции Полетаево Самаро-Златоустовской железной дороги до Троицка и Кустаная, чтобы связать хлебородные районы с железнодорожной сетью страны. На смену гужевому транспорту должен был прийти паровоз и вытянуть регион на новые рельсы промышленного развития. Финансировали строительство Русско-Азиатский и Русский торгово-промышленные банки, лондонский банкирский дом «КРИСП». Для строительства железной дороги Троицк-Кустанай был выпущен 4,5-процентный облигационный заем на сумму 29 миллионов рублей. Концессионерами общества Троицко-Кустанайской железной дороги состояли известный банкир-промышленник А.И. Путилов, представитель Сибирского торгового банка М.А. Соловейчик, кустанайский купец Ф.П. Кияткин и другие.
1 мая 1913 года началась укладка рельсов от Троицка в сторону Кустаная. На территории Кустанайского уезда строительство велось от поселка Джаркуль, расположенного недалеко от Федоровки. Укладка пути была закончена в ноябре 1913 года, тогда же выстроено здание вокзала. В декабре открылось рабочее движение поездов, а 1 января 1916 года Троицко-Кустанайская железная дорога протяженностью 170 верст была включена в общую сеть имперских дорог и по ней открыто правильное пассажирское и товарное движение.
В 1950-е годы в связи с началом освоения целины и многократно возросшим грузопотоком были проведены работы по восстановлению изношенной к тому времени железнодорожной линии и развитию станции Кустанай. Приказом МПС СССР № 657 от 30 марта 1960 года организовано Кустанайское отделение дороги 1 класса, протяженностью 163 километра от Кустаная до Золотой Сопки и 97 с половиной километров от Кустаная до Тобола. Прошло еще немало времени, прежде чем поезда пошли в сторону Лисаковска, Джетыгары, Урицкого. В 1964 году Тобол – Железорудный участок переведен с паровой на тепловозную тягу поездов, а в 1966 году на электрическую. В 1969 году электрифицирована ветка Есиль – Кушмурун – Тобол. В 1974 году в Кустанае построено новое здание железнодорожного вокзала, реконструированного в начале ХХІ века.
В настоящее время Костанайское отделение дороги обслуживает 62 станции, 2300 километров путей в границах Костанайской, Акмолинской, Актюбинской и Северо-Казахстанской областей. Недавно завершилось строительство ветки «Алтынсарино-Хромтау», протяженностью 402 километра. В 2015 году войдет в строй железнодорожная ветка Аркалык – Шубарколь, которая вдохнёт новую энергию в индустриальное развитие области.
