A helyiérdekű vasútvonal létrehozásáról 1885 decemberében döntött Kemény Gábor közmunka- és közlekedési miniszter, az egyvágányú gőzvontatású vasút engedélyét 1887-ben adták ki. A terveket a Budapesti Közúti Vaspálya Társaság (BKVT) dolgozta ki: a vasutat eredetileg Szentendrétől az óbudai Fő térig akarták kiépíteni, innen lóvasút-csatlakozással a Belvárosba.

Az első ütemben a Szentendrétől Filatorigátig tartó, 16,3 kilométer hosszú szakasz készült el, ezen a forgalom 1888. augusztus 17-én indult meg. A végállomás az azóta felszámolt régi Filatorigát állomás volt Óbudán, a mai Bogdáni úti buszvégállomás és a Szentendrei út között. A szűk óbudai utcák miatt a végállomás áthelyezését a Fő térre nem engedélyezték a hatóságok. A gőzüzemű vasútvonal felépítményét 20 kilogramm/folyóméter tömegű sínekből építették, és 9 tonna tengelyterhelést engedélyeztek rajta.

A szentendrei HÉV-vonal története szoros kapcsolatban áll a jobb parti körvasúttal, amely a MÁV esztergomi vonalát kötötte össze a Déli pályaudvarral. A MÁV az 1880-as évek végén kezdte meg a budapesti pályaudvarok összekapcsolását az úgynevezett körvasutakkal. A Duna jobb partján végighúzódó jobb parti körvasutat a Déli Vasút budai végállomásától, az egykori Császárfürdő állomáson keresztül kezdték megépíteni. Az ideiglenesen a Filatorigát mellett létesült Grünwald és Társa Szeszgyárig tartó, 6 kilométer hosszan kiépült körvasutat 1892. szeptember 1-jén adták használatba.

A HÉV Filatorigát állomása és a jobb parti körvasút közötti viszonylag rövid összekötővágány 1895-ben épült ki a mai Bogdáni út Duna és Szentendrei út közötti szakaszán. Az összekötővágány átadásával, valamint a jobb parti körvasút budai szakaszának igénybevételével a helyiérdekű vasút szerelvényei az akkoriban komoly tömegközlekedési csomópontnak számító Pálffy térig (a mai Bem József térig) közlekedhettek.

A HÉV-forgalmat kezdetben 5 gőzmozdony és 12 pótkocsi bonyolította le. A párhuzamosan futó második vágányt a századforduló után építették meg, és ekkor tértek át a villamosüzemmódra is. Az I. világháború előtt tervbe vették azt is, hogy a szentendrei HÉV törzsvonalát Visegrádig meghosszabbítják, de a háború és az azt követő gazdasági válság miatt az elképzelés lekerült a napirendről.

A Margit híd 1935-ös felújítása és szélesítése után, 1937-től a szentendrei HÉV új, tágasabb végállomást kapott a budai hídfőtől északra, a mai alagútba vezető rámpa helyén. (A Margit híd alatt átvezetett vágányokat nem bontották el, ezek tovább szolgálták a jobb parti körvasút teherforgalmát. A 2-es metró építésével összefüggő vízivárosi felszíni átrendezés miatt a jobb parti körvasút Bem József utcai szakasza az 1970-es években szűnt meg.)

A II. világháború alatt a városközponttól Filatorigátig terjedő vasúti szakaszt érte a legnagyobb kár, így 1945 februárjában csak a viszonylag épségben maradt Filatorigát-Szentendre szakaszon indulhatott meg a közlekedés. Az újjáépítés időszakában a megnövekedett utasforgalom miatt évente emelték a vonatok és a szerelvények számát.

A szentendrei HÉV történetéhez kapcsolódik az egyik legsúlyosabb magyarországi vasúti tragédia. 1952. december 26-án a Császárfürdő megállónál tartózkodó esztergomi vonatba belerohant egy beérkező HÉV-szerelvény. A katasztrófa 26 halálos áldozatot követelt, 57 sérültet kellett kórházban ápolni. A balesetet okozó váltókezelőt statáriális bíróság elé állították, s másnap kivégezték.

A 2-es metró második szakaszának építésével párhuzamosan, a helyiérdekű vasutat kéregvezetésű megoldással meghosszabbították a Bem rakpart alatt. Az ekkor megszűnő Császárfürdő állomástól induló alagútban, a Margit híd hídfőjében új megállóhelyet, a Batthyány tér alatt pedig egy háromvágányú végállomást alakítottak ki. A Batthyány téri metróállomásig tartó 1,2 kilométeres vonalszakaszt 1972. december 23-án nyitották meg.

A szentendrei HÉV jelenleg Budapest legforgalmasabb elővárosi vasútvonala, amely a Batthyány tértől Szentendre állomásig, a fővárosi betétjárat Békásmegyerig közlekedik. 2011. május 1-jétől ez a helyiérdekű viszonylat a H5-ös számot kapta. A vonalon MX és MXA sorozatú villamos motorvonatok közlekednek.