Vorläufer war die privat betriebene "Krautbahn" von Fischerdorf bei Deggendorf nach Plattling. Damit war sie die erste als Sekundärbahn betriebene Strecke Süddeutschlands. Diese wurde zum Schluss von der Bayerischen Ostbahngesellschaft übernommen. Allerdings war sie für eine Fortführung nach Eisenstein aufgrund ihrer Lage nicht geeignet so das man eine andere Lösung finden musste. So hatte sie auch nur von 1866 bis 1877 Bestand. Der heutige Deggendorfer Hauptbahnhof liegt im Ortsteil Schachen das erst 1935 nach Deggendorf eingemeindet wurde. Auch der Plattlinger Bahnhof wurde 1877 gegen einen Neubau in seiner neuen Funktion als Durchgangsbahnhof ersetzt.

Geschichtlich besteht die heute mit einer einzigen Streckennummer zusammengefasste Hauptbahn also aus drei Teilen. Den Anfang machte die durch die Ostbahngesellschaft 1875 eröffnete Strecke von Plattling über Pilsting und Neumarkt-St. Veit nach Mühldorf (Oberbay). Deren Abschnitt zwischen Pilsting und Frontenhausen-Marklkofen ist aber auch schon seit 1969 Geschichte. Weiter ging es mit der Waldbahn vom Donautal bei Deggendorf in die Höhen des Bayerischen Waldes Richtung Böhmen, ebenfalls noch unter der Regie der Ostbahnen. Probleme bereitete dabei die Brücke über die Deffernik die die Inbetriebnahme zwischen Ludwigsthal bis zur Staatsgrenze auf den November 1877 verzögerte. Zur Inbetriebnahme war die Gesellschaft der Bayerischen Ostbahnen allerdings bereits aufgelöst und die Strecke der Königlich Bayerischen Staatseisenbahn übereignet.

Bereits 1967 wurde die Hauptbahn zwischen Landshut und Plattling mit einer induktiven Zugbeeinflussung ausgestattet um das überfahren Halt zeigender Signale zu vermeiden. Zu dieser Zeit war eine Höchstgeschwindigkeit von 100 km/h möglich. Schliesslich wurde zwischen 1975 bis 1976 elektrifiziert. Damit entfielen die aufwändigen Lokwechsel auf der Verbindung München-Landhut-Passau. Der erste elektrische Eröffnungszug fuhr am 25.05.1976. In den darauf folgenden Jahren wurde die Strecke schliesslich auf 120 km/h ertüchtigt.

Zwischen 30. März und 17.07.2015 (ursprünglich 27. Juni 2015) war die Waldbahn zwischen Plattling und Bayerisch Eisenstein wegen Sanierungsarbeiten ab Gotteszell gesperrt. Grund hierfür ist der marode Zustand von vier Brücken. Die Arbeiten fanden an der Ohetalbrücke bei Regen, der Nagerlbrücke bei Bettmannsäge, der Fällenrechenbrücke bei Zwiesel und der Deffernikbrücke bei Zwieslerwaldhaus statt. Nach der prognostizierten Nutzungsdauer bis 2027 wird gemäß DB Netz ein Neubau erforderlich.

Der Streckenteil der Bayerischen Waldbahn wurde zwischen Zwiesel und Bayerisch Eisenstein schon 1975 zur Nebenbahn herabgestuft, zwischen Plattling und Zwiesel folgte 2014.