Am 4. Oktober 1859 wurde die Eisenbahnstrecke Luxemburg – Metz eröffnet. Sie war die erste Eisenbahnlinie mit normaler Spurbreite im Großherzogtum Luxemburg. Einen Monat später wurde die Strecke Luxemburg – Arlon in Betrieb genommen.
Damals gab es mehrere Eisenbahngesellschaften im Großherzogtum, so z. B. die 1857 gegründete Société royale et grand-ducale des chemins de fer Guillaume Luxembourg (Königliche und Großherzogliche Wilhelm-Luxemburg-Eisenbahngesellschaft). Diese Gesellschaft betrieb zahlreiche Linien, u. a. Luxemburg – Suftgen und Luxemburg – Arlon.
1867 bestanden bereits die meisten Hauptstrecken des aktuellen luxemburgischen Eisenbahnnetzes. Die Strecke Luxemburg – Wasserbillig – Trier wurde 1861 eingeweiht und die Linie Luxemburg – Ettelbrück im Jahr 1862. Die Strecke nach Ulflingen einschließlich ihrer Verlängerung Ulflingen – Gouvy (1867 eingeweiht) spielte eine wichtige Rolle in der wirtschaftlichen Entwicklung des Oeslings. Die wichtigsten Linien wurden ab 1956 elektrifiziert und die Dampfloks nach und nach eingestellt.
Am Ende des Zweiten Weltkriegs war das luxemburgische Eisenbahnnetz größtenteils zerstört, da es als bevorzugtes Ziel für die Bombenangriffe der alliierten Luftwaffe galt.
Die Alliierten bombardierten die Eisenbahnknotenpunkte, um insbesondere bei der Landung in der Normandie den Nachschub an Truppen und Munition für die deutsche Armee zu blockieren. Bahnhof und Rangierbahnhof von Bettemburg und der Bahnhof in Luxemburg wurden stark beschädigt. Nach Kriegsende musste die bestehende Infrastruktur instand gesetzt und an die Bedürfnisse des modernen Schienenverkehrs angepasst werden. Als die luxemburgische Eisenbahngesellschaft CFL im Mai 1946 gegründet wurde, war die Anzahl der Lokomotiven für den Bedarf des Landes nicht ausreichend. In den 50er Jahren schenkte der französische Staat der CFL Loks als Dank dafür dass Luxemburg die Mosel kanalisiert hatte. Sie trafen pünktlich zum 100. Geburtstag der luxemburgischen Eisenbahn im Jahr 1959 ein. Diese Loks wurden erst im Januar 2006 endgültig außer Betrieb genommen.
In den letzten Jahren stattete sich die CFL mit neuen Doppelstockwagen für den Personenverkehr und mit neuen Loks aus.
Der Vorstand der CFL setzt sich derzeit aus fünf Mitgliedern zusammen. Er arbeitet unter der Verantwortung des Vorstandsvorsitzenden Alex Kremer. Die Aufgabenbereiche der CFL sind der Transport im inländischen, grenzüberschreitenden und internationalen Bereich von Personen und Gütern. Sie verwaltet auch das Schienennetz in Luxemburg. Diese Aufgabe wurde ihr vom luxemburgischen Staat über den Schienenfonds „Fonds du Rail“ übertragen.
Zur Diversifizierung ihres Geschäfts gründete die CFL seit 1999 mehrere Tochterunternehmen, die auf Immobilien und Eisenbahntransport von Frachtgut spezialisiert sind und verbündete sich mit internationalen Unternehmen.
So ist die CFL Cargo ein Joint Venture zwischen der CFL und der Arcelor-Mittal-Gruppe. Sie transportiert jährlich mehr als 8,5 Millionen Tonnen Frachtgut. Derzeit starten täglich mehr als tausend Frachtgut-Waggons der CFL Cargo vom Rangierbahnhof Bettemburg aus in verschiedene europäische Länder.