La storia della linea internazionale Castellanza – Cairate / Lonate Ceppino – Mendrisio iniziò, per soddisfare il bisogno di nuove vie di comunicazione, verso la fine del XIX° secolo. In quegli anni l’Italia aveva appena raggiunto l’unificazione nazionale e, all’inizio del 1900, lo sviluppo tecnologico industriale, che nel resto dell’Europa era invece gia avvenuto; fu così che un gruppo di industriali della Valle Olona volle disporre di un collegamento verso l’Europa per i propri commerci, inclusa l’importazione di materie prime, senza necessariamente passare per il nodo di Milano. In tale contesto si colloca la linea ferroviaria chiamata "della VALMOREA", con l’apertura all’esercizio, a tratte diverse, da Castellanza a Stabio e Mendrisio (CH), nel corso degli anni che vanno dal 1900 al 1926, per una lunghezza complessiva della linea di circa 38,500 chilometri.

Prolungando i binari verso il confine si andava oltre la realtà locale e si offriva nel contempo la possibilità di un collegamento più veloce tra il San Gottardo ed il porto di Genova, transitando per Novara ed Alessandria.
Con la concessione del 25 novembre 1912 ed il Decreto Reale n° 18 del 5 gennaio 1913, si posano i binari da Cairate-Lonate Ceppino a Valmorea, nome del toponimo che indica la valle percorsa dal torrente Lanza, la "Val Morea", a ridosso del confine Svizzero; il nome "Valmorea" è comunemente utilizzato per indicare tutta la tratta ferroviaria.
Al contrario della prima tratta, l'inaugurazione, avvenuta in data 31 dicembre 1915, non fu sfarzosa come si potrebbe pensare in quanto l'Italia, come noto, era entrata in guerra (Prima Guerra Mondiale). L'apertura al traffico del secondo tronco avvenne il 10 gennaio 1916 nonostante il fatto che un ordine di servizio del 27 marzo 1916 riportasse che la tratta Lonate Ceppino - Valmorea era aperta all'esercizio da tre mesi (anche se solo per servizio interno).
Nel frattempo, con la convenzione stipulata in data 10 aprile 1917, l'esercizio della Castellanza - Valmorea (28 km circa) passava in gestione alle Ferrovie Nord Milano. Un'apposita convenzione vedeva l'esercizio affidato alle F.N.M. dal 1° gennaio 1918, con possibilità di proroga con cadenza triennale.

Senza un prolungamento in territorio Elvetico la linea era "monca" ma esigenze militari di allora ne avevano sconsigliato il prolungamento fino al confine, nonostante il fatto che i binari fossero stati posati anche poco oltre la Stazione di Valmorea. Fu così che una società svizzera, sostenuta dall'Ing. Ettore Brenni, diede impulso ad attuare il restante collegamento fino a Mendrisio. Si ottenne così la concessione in data 28 giugno 1906 anche se, poi, i lavori iniziarono solo nel 1913.
Il 15 maggio 1926 una piccola composizione, formata da una locomotiva ed una vettura delle F.N.M., portò tecnici e rappresentanti delle due società fino a Mendrisio, decretando la fine dei lavori per ulteriori 8 km circa. Con diversi anni di ritardo, il 27 giugno 1926, fu inaugurata la nuova ferrovia, il cui compito era quello di collegare Italia e Svizzera sia per le merci sia per le persone; di conseguenza, la Stazione di Valmorea, diventando di confine, fu attrezzata di tutto quanto necessario: uffici doganali, ricovero materiale circolante, rifornitore idrico e piattaforma girevole.
Ma, dopo tanti bei discorsi fatti all'inaugurazione, le difficoltà apparvero subito, dato che dopo quattro mesi il transito ferroviario non beneficiava ancora di tariffe doganali internazionali, dato anche che il traffico doveva essere prevalentemente merci e che il Governo italiano di allora non vedeva di buon occhio il fatto che questa linea fosse affidata ad una società privata con capitali stranieri ed anche in considerazione che il Governo già beneficiava dei transiti internazionali di Chiasso e Luino. La situazione non era affatto rosea anche perché i viaggiatori potevano transitare solo se in possesso di passaporto.

Il 31 maggio 1928, circa due anni dopo, veniva attuata la chiusura del collegamento internazionale fra Stabio e Valmorea. L'utilizzo da parte del pubblico non era esaltante, dal momento che, tra Castellanza e Cairate-Lonate Ceppino, la linea era frequentata, in media, da solo quattordici persone ed addirittura da due sulla rimanente tratta fino a Valmorea. Pertanto, il 6 novembre 1938, il servizio venne arretrato al capolinea originario di Cairate ed il servizio bagagli verso Valmorea venne soppresso il 20 novembre dello stesso anno, mentre rimaneva attivo soltanto il servizio merci fino a Castiglione Olona. Nel tratto Castiglione Olona - Malnate si svolgeva un minimo traffico merci, mediante l'utilizzo di una piccola locomotiva termica.

Nella seconda guerra mondiale la "Valmorea" ha vissuto una piccola parte importante: la Stazione di Valmorea, infatti, era utilizzata dalle Ferrovie Nord Milano come luogo di riparazione e ricovero dei propri mezzi, in quanto le officine di Saronno erano spesso sotto tiro dei bombardamenti; la linea veniva inoltre utilizzata dai convogli militari fino ai magazzini dell'Aeronautica Militare che si trovavano nel fabbricato della ditta Candiani a Prospiano.

Finita la guerra, l'utilizzo del treno da parte del pubblico era sempre minore, al punto che, nel 1952, il servizio passeggeri fu soppresso, lasciando attivo solo quello merci verso le Cartiere di Cairate. Negli anni successivi, dato che il servizio merci diventava sempre più intenso, si sostituirono inoltre i binari originali con quelli della soppressa linea "Malnate - Grandate", che collegava Como e Varese. Nel frattempo, i raccordi non più utilizzati furono eliminati, compresi i binari d'incrocio nelle stazioni di Marnate-Prospiano, Gorla Minore, Solbiate Olona e Gorla Maggiore, fatta eccezione quindi per Cairate e Fagnano Olona. Intorno agli anni settanta le Cartiere subirono una forte crisi che finì per ripercuotersi, inevitabilmente, sulle aziende della Valle del fiume Olona e, di conseguenza, anche sulla ferrovia, con una breve interruzione nel 1975; la ripresa fu comunque molto breve, tant'è vero che, di lì a poco, per la "Valmorea" venne decretata la chiusura, il 17 luglio 1977, dopo aver smaltito tutti i carri rimasti lungo la linea, anche se l'unica azienda ancora interessata a servirsene era la Mazzuchelli a Castiglione Olona.