El 12 de enero de 1889, Domingo Concha y Toro obtuvo una concesión del Estado para construir y explotar un ferrocarril a vapor entre Santiago y Puente Alto. Dicha concesión fue transferida en octubre de ese año a la "Sociedad del Ferrocarril del Llano de Maipo", que finalmente se encargó de su construcción. En 1893 quedó terminada la línea hasta Puente Alto y, al año siguiente, la línea se prolongó hasta la estación Barrancas.

El recorrido del ferrocarril partía desde la Estación Pirque o Providencia, una estación que era compartida con el ferrocarril de circunvalación de Santiago y que se ubicaba donde hoy está el Parque Bustamante. Desde allí, transportaba carga y pasajeros (en primera o segunda clase) a lo largo de los 22 kilómetros que separaban a Santiago de Barrancas, en un tiempo de aproximadamente una hora y diez minutos.

El tráfico de carga de ida hacia Puente Alto consistió principalmente en combustible, mercadería, materiales de construcción y celulosa. De vuelta a Santiago, los carros llevaban productos elaborados en Puente Alto, tales como cartón, tejidos, yeso y vino (cf. Arturo Titus. "Apuntes para una monografía de los Ferrocarriles Particulares de Chile". Anales del Instituto de Ingenieros de Chile, año X, n° 4, abril de 1910).

En Puente Alto, los pasajeros del ferrocarril podían hacer combinación con el Ferrocarril Militar que llevaba hasta la estación terminal El Volcán, en San José de Maipo. Además, el Ferrocarril del Llano de Maipo dispuso de un servicio de tranvía urbano al interior de Puente Alto, que transportaba a los empleados de la Compañía Manufacturera de Papeles y Cartones hacia y desde sus casas (Municipalidad de Puente Alto. Puente Alto siglo XX: retrospectiva fotográfica 1892-2002. Santiago, 2008).

El servicio de pasajeros no estuvo exento de críticas. En septiembre de 1944, el periódico La Comuna del Partido Comunista de Puente Alto, señaló entre sus titulares que "a pesar de haber alzado las tarifas del Ferrocarril Llano de Maipo, no se ha hecho nada por mejorar el servicio, ocasionando un constante malestar en los pasajeros. El horario de este servicio no se cumple como está señalado en las pizarras; los carros no tienen frenos de aire para seguridad en el servicio, ni la higiene que merecen los seres humanos".

El ferrocarril ofrecía además transportes especiales. Había trenes de turismo y servicio de transporte de enfermos y cadáveres. Todos ellos estaban reglamentados por la empresa del Ferrocarril del Llano de Maipo. En las Tarifas y Reglamentos correspondientes al año 1938, la sociedad afirmó sobre el transporte de cadáveres que "solo se aceptarán ataúdes que tengan doble fondo siendo el ataúd de metal y perfectamente soldado" (Santiago, p. 16).

El Ferrocarril del Llano de Maipo operó hasta la década de 1960, período en que fue pavimentado el camino entre Santiago y Puente Alto. En la actualidad, el metro de Santiago replica parte del recorrido que hacía este ferrocarril. De acuerdo a los historiadores Ian Thomson y Dietrich Angerstein "la Línea 5 es meramente una reposición del extinto ferrocarril del Llano del Maipo. Si lo hubiéramos dejado este último donde estaba, nos habríamos ahorrado los cuatrocientos millones de dólares que nos costó reponerlo" (Historia del ferrocarril en Chile. Santiago: Dibam, 2000, p. 298).