吴淞铁路沿线桥梁均为木结构，有跨越小河木桥15座，涵渠20座。铁路与其他道路交叉处大都设有平交过道，两侧道口设有防护栅栏，全线道口约50处。

吴淞铁路全线设旅客乘降车站3处，即上海站、江湾站和吴淞站。上海站设于今河南路桥北堍，当时为“二摆渡”河北岸（亦有称“铁大桥”河北），车站东面为陆家宅和孙家宅（今“西泰华里”居委辖地），北侧为陆家坟山（今“铁马商场”周围），西为徐氏未园（粤商徐润私人花园，今为街头绿地），这一带原为棉花种植田地。站屋为木结构，共2间，一为票房，一为行李房、值班室。站内建有单侧式月台，长约50米。

清同治二年六月（1863年7月），上海27家洋行联名向钦差大臣、江苏巡抚李鸿章要求修筑上海至苏州间铁路，为李拒绝。同治四年，上海的外国商人组织了一家公司，策划在上海租界内修筑铁路，亦被地方当局制止。同治五年，英国驻中国公使阿里国（R.Aicock）出面，借口黄浦江岸起卸货物不便，要求在上海到海口之间修筑一条铁路，又被清政府总理各国事务衙门（以下简称总理衙门）所拒绝。其后美国驻上海副领事奥立维·布拉特福（Oliverb Bradford）发起修建一条从吴淞码头到上海的窄轨铁路，未经中国同意就于同治十一年组织“吴淞道路公司”，诡称要修筑一条“寻常马路”，骗取上海道台沈秉成的允许。上海县还奉道台命贴出告示，宣布“吴淞道路公司”有权建造适于车辆通行的道路。

吴淞道路公司（Woosung Road Co.）征购了上海至吴淞间长9.25英里（14.88公里）、宽约15码（13.7米）的土地。同治十二年二月公司宣布已获得土地所有权，并有权建造桥梁、开挖沟渠、设置栅栏和修造适合车辆奔驰的道路。后来，吴淞道路公司由于资金短缺，乃让给英国商人另外组成“吴淞铁路公司”（Woosung Railway Co.Ltd.），并增购了相当数量的土地，修整了线路路基。铁路公司在华代理人为怡和洋行。伦敦的狄克松（Mr.J.Dixon）与怡和洋行签订了在上述路基上建造一条轻便铁路的合同，随后筑路工程开始。路基工程于同治十三年十一月开工，表面上仍说是修筑一条寻常马路，土方由地方保甲承包，最多时约有2000名工人，光绪元年（1875年）六月，路基工程基本完成。

吴淞铁路公司委派英人玛礼逊为总工程师兼负责人。玛礼逊于清光绪元年十二月十二日（1876年1月8日）抵达上海。在英国订购的机车、车辆和路轨等筑路器材亦于光绪元年（1875年）先期运抵上海，并曾向中国海关请求免税进口，谎称是“供车路之用的铁器”，但被地方官员拒绝，因未严加制止，后来还是私自起岸了。

光绪元年十二月二十四日（1876年1月20日），上海至江湾区段开始铺轨。光绪二年正月二十日（1876年2月14日）铺轨至天通庵以北地段时，机车“先导号”（Pioneer）开始试行，国人往观日达千人。当时上海道台已由冯焌光接任。他阅了吴淞铁路公司的免税申请，又从《申报》上看到报道的内容，完全明白了这个公司的企图。

光绪二年正月二十八日（1876年2月22日），冯焌光会见英领事麦华陀（Waltter Henry Medhurst），对英国商人擅自建造铁路提出责问，并要求暂停筑路，俟会商周妥再行兴筑。麦华陀答应将运料机车暂停行驶1个月，等候北京公使训示。怡和洋行表面上遵守停车1个月，实际铺轨工程照常进行，不到1个月又恢复了行驶。

冯焌光遂将情况详报两江总督沈葆桢，请咨朝廷总理衙门向英国公使交涉。光绪二年二月二十六日（1876年3月21日），上海道台冯焌光正式照会英领事麦华陀，不准英商擅筑吴淞铁路，并将修路情况及照会禀报清政府总理衙门。清政府多次指示上海道台和南洋大臣照会英领事停车，然怡和洋行竟置之不理，筑路工程继续进行。

光绪二年三月十三日（1876年4月7日），清政府总理衙门就吴淞铁路事再次照会英使威妥玛（Thomas Francis Wadt），请饬令英商停办。威妥玛遣派汉文正使梅辉立（William Fredrick Mayers）赴沪调停吴淞铁路事宜。三月十六日（4月10日），梅辉立先往天津与北洋大臣、直隶总督李鸿章会晤，李提出：“何不由中国照原值买回，另招华商股份承办……。如此则洋商资本不致无着，而中国主权亦无所损，似是两全之法。”事后李致函冯焌光详告会商情况。

光绪二年三月二十四日（1876年4月18日）梅辉立与冯焌光在沪会谈，梅称铁路如由中国收买后，仍宜交怡和承办数年，冯坚决不同意。由于英方“处处挟制中国，多不合理”，遂罢议。

交涉虽告停顿，铺轨工程仍在继续，光绪二年闰五月初九（1876年6月30日），上海至江湾段竣工通车；闰五月十二日（7月3日），吴淞铁路上海江湾段正式营业。

上海至江湾通车营业一个月，光绪二年六月十四日（1876年8月3日）火车在江湾镇北面试车时轧死一名行人，消息传出，乡民大愤，抗议声浪迭起。上海道台冯焌光再次照会英领事麦华陀，请其停驶火车。此事之前，闰五月二十七日（7月18日）曾发生吴淞铁路西人在江湾督率工人用篱笆圈占乡民之地，引起公愤，两名工人和西人被殴伤。其时正好电业公司西人博儿骑马过此，因人众阻路，又用手枪击伤一名华人。于是，冯焌光即派彭心壶会同英商调查筑笆事件。接着于六月二十七日又发生运料火车与载客火车相撞的事故。在连续发生“事件”、“事故”的情势下，经过地方官吏据理交涉，七月十二日（8月20日）英公使威妥玛令上海英领事转饬英商停驶吴淞铁路火车，同时停止铁路续建工程。

同年七月二十三日（1876年9月10日），李鸿章与威妥玛在烟台会商滇案时，插入讨论吴淞铁路事。会后于八月十八日（10月5日），威妥玛派梅辉立，李鸿章派盛宣怀、朱其诏至沪会同冯焌光，中英双方进行会谈。梅先欲中英合资同办，继欲中国收买后仍归洋商专管，盛等不同意，会商多次无成果。

九月一日（10月17日），双方移至江宁（今南京）继续会谈，经南洋大臣沈葆桢向英方代表“解释”，于九月八日议定买断，订立《收买吴淞铁路条款》10条。内容大要为：铁路由中国买断，所有地段铁路、机车车辆等项中国买断后即与从前洋商承办之公司无涉；在价款没有付清之前的一年内，仍准许洋商办理客运营业，不许办理货运；铁路土地、机车车辆及站房等设备财产价值，双方联合清查确定。收买付款办法分作3期：一俟价款决定，先付1／3，铁路公司所执地契移交英领事保管；第一次付款满6个月后，再付第二次的1／3，最后的1／3到一年期满时（按中国农历计算）付清。经清查确定收买价格为规平银28.5万两。这项价款在上海关税收入项下拨付。至此，拖延多时的吴淞铁路纠葛得以结案。

九月二十七日（11月12日），冯焌光会同梅辉立等人在沪就《收买吴淞铁路条款》双方签字盖印，各执为凭。十月十六日（12月1日），中断多日的吴淞铁路恢复行车营业，正式宣告上海至吴淞全线通车。全程行驶30分钟。

光绪三年九月十四日（1877年10月20日），中国赎路款项按时付清，吴淞铁路于当天下午2时正式收回。在收路交涉过程中，清政府一再声明要“收回自办”，上海、江湾、吴淞三处商民145人曾联名公禀两江总督“请准铁路继续办理”，清政府置而不顾。其后上海道饬铁厂工匠拆卸铁路机车器材，将其储于板箱之中。至十一月十四日（12月18日），铁路路轨全部拆除。

吴淞铁路拆除后，经福建巡抚兼台湾学政丁日昌奏准，将铁轨等器材运至台湾，拟于台北敷设铁路使用，后由于无力筹款，筑路被长期搁置，运至高雄的吴淞铁路钢轨，亦因日久锈烂，不堪再用。