מסילה זו מאפשרת לתת שירות נוסעים לערי השרון ובנוסף מאפשרת יתירות ברשת המסילות של רכבת ישראל כאשר רכבות (נוסעים ומשא) הנוסעות מצפון הארץ לדרומה (או להפך) יכולות לעקוף את ציר תל אביב ואת מסילת איילון העמוסה גם דרך מסילת השרון ומשם דרומה למסילה המזרחית ולא רק דרך מסילת הירקון.
ב-1990 הכינה חברת התכנון הצרפתית "סופרטו" תוכנית מתאר ארצית עבור רכבת ישראל, שכללה קו רכבת פרוורית חדש בין תל אביב לרעננה וכפר סבא[1]. בסוף 1990 הועלתה הצעה חליפת, על הקמת קו המבוסס ברובו על תוואי מסילות הברזל הקיים עד כפר סבא בלבד, כפתרון זמני עד הקמת התוואי המלאה[2]. בשנת 1998 הכריז מנכ"ל הרכבת עמוס עוזני על פרויקט פיתוח קו הרכבת תל אביב-פתח-תקוה-כפר-סבא בהשקעה של 650 מיליון שקל. על פי התכנון דאז הקו היה אמור להיות קו הרכבת החשמלי הראשון בישראל[3]. הפרויקט התבסס על שדרוג ושיקום מסילת הירקון, שיקום קטע במסילה המזרחית ההיסטורית וסלילת קטע קצר חדש לכפר סבא. הפרויקט באותה עת לא כלל את סלילת המשך המסילה לכיוון רעננה וחיבור למסילת החוף[4]. ב-8 במרץ 1999 קיבלה ממשלת ישראל את הצעת ההחלטה של שר התשתיות, אריאל שרון, שלפיה יפורסם מכרז ליזמים פרטיים, להקמת ולהפעלת הקו[5]. בשנת 2000 קיבלה חברת כביש חוצה ישראל את אחריות לבדיקת הכדאיות הכלכלית של הקמת הפרויקט באמצעות זכיין שיפעל בשיטת בנה-הפעל-העבר (BOT)[6]. הבדיקה קבעה כי ההכנסות מהפעלת הקו לא יכסו את עלות הקמת התשתית. לפיכך למגזר הפרטי לא יהיה כדאי מבחינה כלכלית לממנו. עוד העלתה הבדיקה כי ההכנסות מהפעלת הקו גם לא יצדיקו מימון רכישת הקרונות[7]. בשל כך אישר באוגוסט 2000 ראש הממשלה אז, אהוד ברק, הצעה לפיה רכבת ישראל היא זו שתקים את מסילת הרכבת מתל אביב לכפר סבא במימון המדינה, והפעלת הקו תיעשה באמצעות גוף פרטי שייבחר במכרז[8].
בשנת 2000, הושלם שדרוג מסילת הירקון ופתיחת קו הרכבת תל אביב - תחנת הרכבת ראש העין דרום[9]. ביוני 2001 ועדת השרים לכלכלה, החליטה להשלים את עבודות התשתית בקו, שכלולו הקמת מסילה כפולה לראש העין (המסילה אז הייתה בודדת) ומסילה בודדת לכפר סבא, ולבחור מפעיל לקו[10]. ביוני 2002, הודיעה שר התחבורה, אפרים סנה שהפעלת הקו לא תיעשה על ידי יזם פרטי. זאת לאחר קבלת חוות דעת של אנשי מקצוע, שלפיהן ההפרדה בין האחריות על התשתית לאחריות על ההפעלה אינה בטיחותית ובעייתית מבחינת השירות לנוסעים. בין היתר טענו כי היקפה המצומצם של רשת המסילות בישראל, שכל קוויה מתנקזים לערוץ האיילון, יקשה על התיאום בין המפעילים השונים[11]. באותה עת החלו העבודות על המשך המסילה לכיוון כפר סבא[12]. העבודות כללו סלילה מחדש של קטע המסילה המזרחית בין צומת ראש העין ובין צומת חמד וסלילת מסילה חדשה מצומת חמד מערבה לכיוון כפר סבא, ועליה הוקמה תחנת הרכבת כפר סבא בסמוך לרחוב נורדאו[13].
ב-13 באפריל2003 נפתח הקו אל תחנת כפר סבא (שנקראה אז "הוד השרון-כפר סבא")[14]. ביום הראשון להפעלת הקו נסעו בו כ-1,000 בני אדם[15]. באותה תקופה החלו העבודות להמשך המסילה מערבה והקמת תחנת הרכבת הוד השרון בסמוך לרחוב סוקולוב. התחנה נפתחה ב-2 בספטמבר2006 ועד יולי 2018 זה היה קצה המסילה.
לאחר מכן החל שלב הארכת המסילה מערבה, כך שתחצה את כביש 4 ותעבורה בפאתיה הדרומיים של רעננה ומצפון להרצליה עד למפגש עם מסילת החוף סמוך למושב רשפון. לאורך המסילה תוכננו שתי תחנות רכבת חדשות שישרתו את תושבי רעננה, רמת השרון והרצליה. הפרויקט כלל הוספה של שתי מסילות למסילת החוף בין תחנת הרכבת תל אביב אוניברסיטה ובין מסילת השרון והרחבה של תחנת הרכבת הרצליה כך שיאפשרו יצירת קו לולאתי מתחנת האוניברסיטה אל מסילת הירקון, מקטע קצר במסילה המזרחית, מסילת השרון ודרך מסילת החוף לתחנת האוניברסיטה.
ב-7 ביולי2008 הודיע ועד המכרזים הבין-משרדי, כי קבוצת הבנייה והתשתיות "שפיר הנדסה" היא הזוכה במכרז לבניית כביש 531, שכולל את המשך פרויקט מסילת השרון. העבודות היו צפויות להסתיים בשנת 2012 אולם בשל קשיי מימון בוטלה זכייתה של חברת שפיר לאחר משא ומתן שארך שנים בינה ובין משרד האוצר שבסופו לא הצליחו הצדדים להגיע להסכם. במקום זאת, בשנת 2011 הוציאה החברה הלאומית לדרכים מכרזים לביצוע הכביש והמסילה במקטעים נפרדים שעליהם עובדים מספר קבלנים בו זמנית בעלות כוללת משוערת של 4 מיליארד ש"ח. תאריך הסיום המתוכנן המעודכן לסיום פרויקט הכפלת המסילות הוא רבעון ראשון לשנת 2019 כאשר כלל התחנות נפתחו לשירות נוסעים עד יולי 2018. מועד הפעלתו של קו הנוסעים מכיוון תחנת רעננה מערב למסילת החוף דרך הרצליה אינו ידוע[16][17]. פרויקט מסילת השרון היה חלק מתוכנית החומש של רכבת ישראל שהייתה אמורה להסתיים בשנת 2008.