长兴到牛头山的铁路早在上世纪二十年代就开始兴建，那时候的铁轨还是窄轨。1958年，浙江省为尽快争取省内煤炭自给，进一步开发长广煤矿资源，由铁道兵负责对牛头山至长兴的20年代修建的窄轨铁路进行技术改造，并于翌年4月全面动工，1960年建成通车。铁路最初由浙江省成立的杭长铁路管理处管理，1973年移交原杭州铁路分局管理。

随着长广煤矿公司逐年减少采煤量，长牛铁路进入衰退期。2005年7月1日，牛头山站停办客运业务；2008年9月30日，杭州工务段封闭了煤山至牛头山（含牛七线）、煤山至千井湾井的铁路，仅保留长兴至煤山段铁路继续运行，牛头山站开始停用。