Ідея створення дитячої залізниці народилася в липні 1971 року у комсомольців Запорізького електровозоремонтного заводу та Запорізького автомобільного заводу «ЗАЗ». Місцем будівництва було обрано придніпровські плавні, неподалік від залізничної станції Запоріжжя I і корпусів Запорізького автозаводу. Проектування дитячої залізниці було доручено проектним інститутам «Промбудпроект» та «Титан». Паралельно йшли і підготовчі роботи на майданчику майбутньої залізниці.

 

У березні 1972 року комсомольці міста, під керівництвом фахівців Запорізької дистанції колії, приступили до влаштуваня верхньої будівлі шляху. Тоді ж почалося будівництво вокзалу та локомотивного депо розміром 50х12 м. До середини травня 1972 року всі будівельні роботи були закінчені. На цей момент було укладено 3,46 км колії на піщаному баласті, влаштовано три станції: «Жовтнева», «Спортивна», «Юні Чапаївці» та проміжна платформа «Піонерська».

 

Станція «Жовтнева» отримала свою назву на честь колишнього тоді Жовневого району міста (з 19 лютого 2016 року — Олександрівський), де вона була розташована. Станція «Юні Чапаївці» — на честь однойменної диверсійно-розвідувальної групи, яка діяла в тилу ворога на острові Хортиця на Дніпрі. Третя станція отримала назву «Спортивна», тому що поруч з нею планувалося побудувати великий дитячий спортивний комплекс.

 

На дитячу залізницю були доставлені тепловоз ТУ2-077 (працював з 1957 по 1966 роки на Ризькій дитячій залізниці), паровоз К4-456, який був подарунком залізниці від колективу Запорізького електровозоремонтного заводу та п'ять цільнометалевих пасажирських вагонів Pafawag.

 

Урочисте відкриття першої черги Запорізької дитячої залізниці відбулося 19 травня 1972 року. На мітингу було присутнє керівництво Придніпровської залізниці. О 14 год. 00 хв. зі станції «Жовтнева» відправився перший потяг, під керівництвом машиніста Геннадія Стасенко, який надалі став начальником локомотивного депо «Запоріжжя II». На дорозі було запущено два склади зі схрещененням по станції «Спортивна». Організація руху потягів здійснювалась за допомогою телефонного зв'язку, а в подальшому і електрожезловою системою. На кінцевій зупинці локомотив розвертався на спеціальних стрілках і ставав в голові потяга. Головна станція залізниці знаходиться в п'яти хвилинах пішки від залізничного вокзалу Запоріжжя I, тому вже незабаром залізниця стала найулюбленішим місцем відпочинку мешканців міста. Вже за перші шість місяців з початку її відкриття нею було перевезено більше 57 тисяч пасажирів. У 1973 році ця цифра подвоїлась. Збільшилась і кількість юних залізничників. Якщо у 1972 році на дитячій залізниці займалось лише 50 дітей, то з 1973 року їх кількість перевищила 900. В цей час здійснювались роботи щодо реконструкції депо.

 

З метою підвищення безпеки руху та виключення операцій щодо обгону та перечепленню локомотива, виникла необхідність щодо замикання лінії дитячої залізниці. В той час таке рішення практично повністю виключила би маневрову роботу — важливу складову навчально-практичного курсу. Але, при проектуванні другої черги було знайдено компроміс — лінія була замкнена, але кінцева станція «Жовтнева» залишилась тупиковою. В процесі проектування було знайдено доволі цікаве рішення: на прилеглій до станції «Жовтнева» півторакілометровій ділянці паралельно було прокладено дві колії — одна вела на коло, а друга — зворотно. Хоча цю ділянку не можна в повній мірі назвати двоколійною (фактично це дві незалежні підходи до станції «Жовтнева», а візуально створюється іллюзія двоколійної магістральної залізниці). 

У травні 1974 року під керівництвом 5-ої і 14-ої дистанцій колій Запорізького відділення Придніпровської залізницірозпочалися роботи щодо прокладання колій другої черги залізниці. Але, якщо при будівництві першої черги використовувались легкі рейки типу Р24 (лише у деяких місцях РЗЗ), які ледь витримували тепловоз ТУ2, то при будівництві другої черги було вирішено використовувати більш важкі рейки марки Р43. На новій дільниці було додатково споруджено три зупиночних пункти, ще одна платформа була побудована на діючій ділянці першої черги. Станцію «Юні Чапаївці» було прийнято рішення перейменувати на станцію «30 років Перемоги», іншим платформам були надані назви «Обеліск Слави» (пізніше — «Обелиск»), «Комсомольська», «Гребний канал».

У 1974 році дитяча залізниця у своє розпорядження отримала ще один тепловоз ТУ2, п'ять вагонів Pafawag та дві вантажні платформи. Платформи періодично використовувались не тільки для господарчих поїздів, але і для комерційних вантажних перевезень — у дні змагань на Гребному каналі залізницею була організована доставка спортивного інвентарю.

 

17 травня 1975 року відбулось урочисте відкриття другої черги залізниці. До цього часу ще не були готові будівлі на нових платформах. Їх спорудження розпочалося лише у серпні 1975 року і було завершено до 10 травня 1976 року.

 

У вересні 1976 року на станції «Жовтнева» відкрито зоокуточок, який згодом перетворився на справжній зоопарк (дотепер — це єдиний зоопарк в місті Запоріжжя).

 

18 березня 1977 року Рада юних залізничників Запорізької дитячої залізниці звернулась до двічі Героя Радянського Союзу льотчика-космонавта Павла Поповича з проханням дати дозвіл на присвоєння його ім'ям дитячій залізниці. Через деякий час згоду було отримано, але на подолання бюрократичних перешкод минуло кілька місяців. Лише 28 грудня1977 року рішенням обкому ЛКСМУ офіційно було надано залізниці ім'я Павла Романовича Поповича.

 

Наприкінці 1970-х років друга колія на станціях «Спортивна» і «30 років Перемоги» були демонтовані. Фактично вони стали платформами, але ще декілька років за традицією продовжували іменуватися станціями. Тоді залізниця була оснащена напівавтоматичним блокуванням, а локомотивний парк залізниці поповнився ще одним тепловозом ТУ2.

 

У 1983 — 1984 роках відбулося значне переоснащення дитячої залізниці. Були виведені з експлуатації всі вагони Pafawag, а замість них залізниця отримала 6 вагонів «ПВ-51», які використовуються до теперішнього часу.

 

Влітку 1984 року на станції «Жовтнева» був введений в експлуатацію чотирьохповерховий навчально-лабораторний комплекс. В ньому розташовані приміщення для роботи гуртків. В оформленні інтер'єрів навчального корпусу приймав участь народний художник України Володимир Симчук.

Наприкінці 1980-х років розпочалося будівництво житлового масиву «Південний», через те місцева влада мала намір закрити залізницю, але ентузіастам вдалося відстояти залізницю. За планом одна з вулиць і трубопровід, які з'єднували мікрорайон з іншою частиною міста, повинна була перетнути лінію залізниці між станцією «Жовтнева» і платформою «ім. Володі Литяги». Із міркувань безпеки, від спорудження переїзду відмовились, а автошлях вирішили прокласти над лінією залізниці.

 

У 1990 році над лінією дитячої залізниці в напрямку з'єднання Прибережної автомагістралі з сусіднім мікрорайоном, був відсипаний штучний пагорб, в якому був прокладений тунель довжиною 80 м. На порталах тунелю були влаштовані ворота, і тепер тунель використовується для відстою вагонів.

 

У середині 1990-х років Запорізька дитяча залізниця отримала ще один тепловоз — ТУ7А-3108.

 

Навесні 2002 року, до 30-річчя Запорізької дитячої залізниці, було проведено реконструкцію дороги. На багатьох ділянках були перекладені колії, повністю проведена заміна платформ на більшості зупинних пунктах, відремонтовані пристанційні будівлі. У 2002 році, через тривалу експлуатацію і економічну недоцільність, було списано тепловоз ТУ2-077, який вперше відкривав рух на дитячій залізниці у 1972 році. Після його списання локомотивний парк поповнився двома тепловозами ТУ2 з електропередачею і одним тепловозом ТУ7А з гідравлічною передачею.

У 2004 році, через несправність рейкового кола і необхідності великих фінансових вкладень в їх перевірку і ремонт, керівництво залізниці було змушене відмовитися від використання на перегоні напівавтоматичного блокування. Рух поїздів знову здійснюється за допомогою жезла. Безумовно, що це великий крок назад, але залишається надія, що в найближчому майбутньому ця проблема буде вирішена.

 

У 2007 році на дитячій залізниці провели другу реконструкцію, яка завершилася до її 35-річчя. У навчально-лабораторному корпусі розташована виставкова зала з діючими макетами залізничного моделювання. Юні залізничники-екскурсоводи проводять цікаві екскурсії з історії створення моделювання на дитячій залізниці, розповідають про кожен макет і наочно демонструють їх роботу. Ці макети є точною копією роботи станцій і виконані в масштабі 1:87. Гурток «Залізничне моделювання» займає велике значення з виготовленню наочних посібників і розвиває конструкторські здібності юних залізничників.

 

У 2012 році, до 40-річчя дитячої залізниці, створено і відкрито для відвідувачів музей історії Запорізької дитячої залізниці, де проводяться цікаві екскурсії.

 

19 травня 2022 року Запорізька дитяча залізниця святкує своє 50-ти річчя.