Den första planen på en järnväg till Lysekil beviljades koncession redan 1886. Den var tänkt som en sidobana till Bergslagsbanan vid Frändefors i Dalsland, men projektet kunde inte finansieras, vilket ledde till att koncessionen förföll.

År 1898 beslutade riksdagen att bygga Bohusbanan mellan Göteborg och Skee, vilken senare förlängdes till Strömstad. Detta underlättade finansieringen av en bana till Lysekil. En kommitté bildades 1897 och 1907 lämnades en koncessionsansökan in för en sidobana från Bohusbanan. Koncessionen beviljades den 8 maj 1908. Genom en aktieteckning på 1,2 miljoner kronor bildades Lysekils järnvägsaktiebolag (LyJ) den 7 maj 1910, och bolaget tog även upp ett statslån på 1,2 miljoner kronor. Bygget inleddes i juni 1911 och den 14 juni 1913 invigdes järnvägen, som hade kostat 2,2 miljoner kronor.

Banan anslöt till Statens Järnvägars nät vid Smedberg, men den formella anslutningsstationen var Munkedal, fyra kilometer söderut. Eftersom Bohuslän är starkt kuperat tilläts lutningar på upp till 25 promille på vissa sträckor för att minska kostnaderna för bergsprängning. Banan har därmed några av Sveriges största lutningar, vilket har begränsat både hastighet och antalet godsvagnar. Vid trafikstarten var maxhastigheten 50 kilometer i timmen.

Inför öppnandet förvärvade bolaget två nya tanklok från Nydqvist & Holm i Trollhättan, och ytterligare ett lok från samma tillverkare tillkom 1914. År 1920 köptes ett begagnat lok, tillverkat av Motala Verkstad 1889, in från Statens Järnvägar. Detta lok togs i bruk 1924 och skrotades 1937. Vagnparken inleddes med tre personvagnar, vilket ökade till sju år 1925. Samma år fanns 39 godsvagnar. År 1932 anskaffades en dieselelektrisk motorvagn, något som redan funnits med i de ursprungliga planerna.

År 1939 förvärvade svenska staten järnvägen av bolaget, och den 1 juli samma år övertog Statens Järnvägar driften.

Länk: LyJ på Historiskt.nu