In 1869 neemt de NRS tussen Harmelen en Breukelen een acht kilometer lange verbinding tussen de Rhijnspoorweg en de spoorlijn Utrecht – Rotterdam in gebruik. Met de nieuwe verbinding ontstaat een snelle concurrerende verbinding tussen Amsterdam en Rotterdam. Door de samenwerking tussen de spoorwegmaatschappijen verliest de lijn het nut voor het reizigersvervoer en resteert sinds 1939 alleen nog het goederenvervoer. Vanaf 1952 rijden weer mondjesmaat reizigerstreinen. Pas vanaf 2006 rijden de treinen een normale halfuursdienst over het baanvak.
Na de aanleg van de Rhijnspoorweg en de spoorlijn Utrecht – Rotterdam heeft de NRS niet alleen een aantrekkelijke verbinding vanuit de havens van Amsterdam en Rotterdam naar het Duitse achterland, maar een met de HSM concurrerende verbinding tussen Amsterdam en Rotterdam. De treinen tussen beide steden moeten echter kopmaken in Utrecht. In 1869 neemt de NRS de nieuwe acht kilometer lange dubbelsporige spoorlijn tussen Breukelen aan de Rhijnspoorweg en Harmelen aan de lijn naar Rotterdam in gebruik. Voortaan kunnen treinen rechtstreeks tussen Amsterdam en Rotterdam rijden. Wanneer in 1870 ook de zijtak van Gouda naar Den Haag gereed is, biedt de NRS een aantrekkelijk alternatief voor de Oude Lijn. De NRS rijdt dan ook meteen diverse doorgaande treinen van Amsterdam naar Den Haag en Rotterdam. Tot de oude Rhijnspoorweg in 1872 dubbelsporig is, rijden ook diverse treinen tussen Utrecht en Amsterdam via de nieuwe spoorlijn. Vanaf 1874 rijden de rijtuigen voor Rotterdam en Den Haag vaak gecombineerd in één trein waarvan in Gouda al rijdend het Haagse deel wordt afgekoppeld. Door middel van het zogenaamde glipsysteem wordt het achterste treindeel tot stilstand gebracht en met een andere locomotief naar Den Haag gereden.
Na het samengaan van de verschillende spoorwegmaatschappijen is de Oude Lijn van Amsterdam via Den Haag naar Rotterdam de belangrijkste route. In oktober 1939 wordt de verbinding tussen Breukelen en Harmelen dan ook gesloten voor het reizigersvervoer. De spoorlijn blijft wel in gebruik voor het goederenvervoer. Het traject is onderdeel van de kortste verbinding tussen Noord- en Oost-Nederland en de Rotterdamse haven waarbij nergens kop gemaakt hoeft te worden. Het baanvak is een half jaar na het beëindigen van de reizigersdienst dan ook geëlektrificeerd. In september 1944 is de spoorlijn echter geheel gesloten en breekt de bezetter één van de twee sporen en de bovenleiding op. Na de oorlog haalt NS ook het tweede spoor weg om elders te gebruiken.
In juni 1950 neemt NS één spoor, inclusief bovenleiding, weer in gebruik voor het goederenvervoer. Twee jaar later laat de vervoerder ook weer enkele reizigerstreinen via de verbinding rijden. Niet veel later is ook het tweede spoor weer aangelegd.
Ondanks dat de route tot de opening van de Hogesnelheidslijn Zuid de snelste verbinding tussen Amsterdam en Rotterdam is, biedt NS doorgaans slechts een beperkte stoptreindienst tussen beide steden. Wanneer de HSL of de Oude Lijn gestremd is, worden treinen regelmatig via de verbinding Breukelen – Harmelen omgeleid.
Dienstregeling
De verbindingsboog is aangelegd door de NRS om een aantrekkelijk alternatief voor de HSM-verbinding tussen Amsterdam en Rotterdam te bieden. De spoorwegmaatschappij laat frequent sneltreinen tussen het Amsterdamse Weesperpoortstation en het Rotterdamse Maasstation rijden. Vanaf 1870 komt hier ook de verbinding met het Haagse station van de NRS bij. De sneltreinen Amsterdam – Rotterdam rijden doorgaans non-stop en laten in Gouda volgens het glipsysteem de Haagse rijtuigen achter. Deze worden met een aparte locomotief naar Den Haag gebracht.
Wanneer de diverse spoorwegmaatschappijen intensiever gaan samenwerken en later de Nederlandse Spoorwegen vormen, neemt het belang van de reizigersverbinding tussen Breukelen en Harmelen snel af. In 1939 wordt het reizigersvervoer op de verbinding gestaakt. In 1952 gaan via Breukelen opnieuw reizigerstreinen tussen Amsterdam en Rotterdam rijden. Tussen beide steden rijden in eerste instantie slechts twee treinparen. In de loop van de jaren ’50 en ’60 bestaat de treindienst uit een starre uurdienst waarbij alleen in de spits in Breukelen en Abcoude wordt gestopt. De treinen zijn zo doorgaans enkele minuten sneller dan de sneltreinen over de Oude Lijn.
Met Spoorslag ’70 blijven de treinen eenmaal per uur rijden. Bovendien stoppen ze allemaal op elk station. Vanaf nu zijn de intercity’s over de Oude Lijn sneller. In de hierop volgende decennia blijft de treindienst vrijwel ongewijzigd. In een enkele dienstregeling rijdt een extra spitstrein naar Den Haag Centraal. In mei 1998 wordt de treindienst aanzienlijk ingekrompen. Op werkdagen rijden nog maar 13 treinen. De treinen rijden nog wel in een uurdienst, maar slechts tot 19:00 uur. In december 2005 worden de dertien treinen voor een jaar gekoppeld aan stoptreinen van Amsterdam naar Uitgeest via Haarlem. Een jaar later koppelt NS de treindienst aan de Sprinterdienst Amsterdam – Uitgeest via Zaandam. De treinen rijden in een halfuursdienst en bovendien ook weer in de avonduren.
Materieelinzet
Na de heropening van de verbinding wordt de stoptreindienst door verschillende soorten elektrisch stroomlijnmaterieel gereden. In 1969 wordt de treindienst overgenomen door de nieuwe Plan V treinstellen. De treindienst wordt vanaf de jaren ’80 voor diverse periodes overgenomen door het Stadsgewestelijk Materieel. In september 2010 neemt het nieuwe SLT-materieel de Sprinterdiensten over. Vanaf 2012 keert ook het SGM terug in een aantal treinen op de verbinding. Na enkele jaren krijgt het SLT-materieel weer alleenheerschappij.