Nel 1845, un anno dopo l'inizio dei lavori della Leopolda, il granduca Leopoldo II diede incarico a una commissione e all'ingegnere Robert Sthephenson di studiare un collegamento ferroviario tra Livorno e il confine con lo Stato Pontificio, passando per la Maremma. L'idea suscitò aspre critiche; alcuni sostennero che la costruzione di questa ferrovia avrebbe costituito uno spreco di risorse, in quanto la Maremma era una zona malarica e scarsamente popolata.
Nonostante ciò le autorità andarono avanti con determinazione. Poiché l'impresa doveva essere votata al massimo risparmio, furono respinti i pareri degli ingegneri livornesi Olinto Paradossi e Giuseppe Cappellini, i quali proponevano di far proseguire la Leopolda lungo il litorale, tra Livorno e Vada; la complessa orografia del luogo, con le propaggini delle colline livornesi a picco sul mare, avrebbe richiesto un maggior impegno tecnico ed economico rispetto alla soluzione di un tracciato più interno.
In ogni caso, alcuni intoppi finanziari e il movimentato quadro politico del Granducato di Toscana, determinarono un sensibile rinvio dell'inizio dei lavori.
Nel 1860 fu finalmente decretata la realizzazione della ferrovia; i lavori iniziarono nel 1861. Per limitare i costi, il tracciato ricalcava sostanzialmente il progetto approntato negli anni quaranta; il nuovo tracciato si distaccava dalla vecchia Leopolda non distante dalla stazione di Livorno San Marco (all'altezza del bivio Calambrone), proseguendo poi verso Collesalvetti e Vada, aggirando da est le colline livornesi.
I lavori fino al Chiarone procedettero molto rapidamente: il 20 ottobre 1863 fu inaugurata la linea Livorno-San Vincenzo; il 9 novembre la tratta San Vincenzo-Follonica; i 223,9 km della linea a semplice binario furono ultimati il 3 agosto del 1864. Nel contempo Pisa veniva unita a Genova, mentre nel 1867 la Maremmana fu collegata alla linea per Roma, via Civitavecchia.
Pochi anni dopo, nel 1874 Collesalvetti fu unita direttamente a Pisa; Livorno, con il suo scalo di testa, fu bypassata e tagliata fuori dalla direttrice nazionale.