En jernbane fra Nykøbing til Holbæk var punkt 1 i den store jernbanelov fra 1894. Samme lov gav hjemmel til at anlægge en havnebane i Holbæk.
Jernbanen blev etableret for at styrke udviklingen i Odsherred efter inddæmningen af Lammefjorden. Strækningen var oprindelig planlagt, så der i hver af de sognekommuner, der tog del i finansieringen, var en station eller et trinbræt.
OHJ drev banen frem til maj 2003, hvor den blev fusioneret med Høng-Tølløse Jernbane til Vestsjællands Lokalbaner med hovedsæde i Holbæk. I denne sammenhæng benævntes Odsherredsbanen "Den nordlige jernbanestrækning", mens Tølløsebanen benævntes "Den sydlige jernbanestrækning".
I 2008 udskiftedes banen de 33 år gamle Y-tog med nye, moderne togsæt af typen Coradia LINT 41, som pr. 2018 er den primære togtype på strækningen. Nogle afgange gennemføres også med de lidt ældre IC2-tog. Der er generelt halvtimesdrift på strækningen i hverdage, og timedrift i weekender.
Banen har årligt omkring 1.100.000 passagerer og er dermed blandt de mest trafikerede lokalbaner i Danmark.
