КБЖД строилась с 1896 по 1905 год. Во время её строительства принимали участие арестанты и каторжные Александровской тюрьмы, а также множество иностранцев, в частности - итальянских фриулианских мастеров-тоннелестроителей.
По первоначальному плану, на этом участке было необходимо соорудить 33 тоннеля, подпорные стенки на сумму 3,7 млн рублей; виадуки на сумму 1,6 млн рублей. В связи с возможным негативным влиянием вод озера была рассчитана минимальная высота пролегания железнодорожного полотна над урезом воды Байкала — 5,33 м. Технические условия при устройстве разъездов определяли пропускную способность дороги в 14 пар поездов в сутки. Верхнее строение пути на дороге пришлось утяжелить: были использованы более мощные рельсы, увеличено количество шпал. В связи со сложным рельефом пришлось уменьшить минимальный радиус кривых в поворотах.
Работы по строительству магистрали были ускорены в связи с началом Русско-японской войны 1904-1905 годов. Так, количество рабочих с 9 тысяч выросло до 13, 5 тысяч человек. Основные силы были пущены на ввод в эксплуатацию железнодорожного полотна, поэтому работы по развитию станций и посёлков на пути следования дороги не проводились.
Рабочее движение поездов по маршруту КБЖД началось 18 сентября 1904 года, а 16 октября 1905 года дорога была принята в постоянную эксплуатацию. Длина магистрали в окончательном её виде от станции Байкал до Мысовой составила 260 км. Итоговая стоимость одного километра КБЖД составила около 130 тыс. руб.
Первоначально дорога была построена в одной колее; в 1911-1914 годах были проведены работы по сооружению вторых путей, что позволило увеличить пропускную способность Кругобайкальской железной дороги до 48 пар поездов в сутки. Также, в строительстве начали применять новый в то время железобетон.
В 1950 году началось строительство Иркутской ГЭС. В связи с этим часть Транссиба от Иркутска до посёлка Байкал, проходившая вдоль реки Ангары (не относящаяся к КБЖД), была разобрана в 1956 году и в этом же году затоплена при наполнении Иркутского водохранилища (от неё сохранились только остатки дамбы на берегу Ангары вблизи посёлка Байкал). В итоге сформировался современный, «тупиковый» маршрут КБЖД. Магистраль потеряла своё стратегическое значение, количество пар поездов на дороге резко уменьшилось, с тоннелей и мостов была снята охрана. В связи с ненадобностью был разобран первый путь КБЖД.
