La ferrovia Firenze-Lucca congiunge Lucca e Firenze toccando Pistoia e Prato. Il tratto tra Pistoia e Lucca venne chiamato Ferrovia Maria Antonia in onore di Maria Antonia di Borbone. In anni successivi altre diramazioni congiunsero Pistoia con Bologna e Lucca con Aulla (da dove si continua per Parma). Precedentemente la linea era stata prolungata da Lucca a Viareggio rendendo finalmente percorribile la direttrice pedemontana tra Firenze e il mare.

Il giovane Leopoldo II era un sovrano attento agli sviluppi della tecnica, così pur lasciando l'iniziativa al capitale privato, favorì la nascita delle ferrovie.

Secondo linee politiche consolidate fin dal tempo della dinastia medicea si decise innanzitutto di realizzare la linea denominata, in onore del sovrano, Leopolda. Questa ferrovia congiungeva e congiunge tuttora Livorno a Firenze. Il tracciato passa per Empoli, Pontedera e Pisa. In tal modo le popolose città di Prato e Pistoia restavano momentaneamente escluse dallo sviluppo delle infrastrutture di trasporto su ferro.

La politica granducale, tendente a relegare a un ruolo secondario il bacino pedemontano posto a valle dell'Appennino, era dovuta essenzialmente al fatto che lungo questa direttrice era impossibile collegare la capitale con la costa senza attraversare uno Stato estero, ovvero il Ducato di Lucca.

Il governo lucchese valutò comunque necessario che lo Stato si dotasse delle ferrovie. Il Duca Carlo Ludovico di Borbone, nel 1844, decise quindi la costruzione di strade ferrate internazionali, che mettessero in comunicazione Lucca con il Ducato di Modena e il Granducato di Toscana. Fu così realizzata la Lucca-Pisa (la prima ferrovia internazionale al mondo[senza fonte]). Contemporaneamente veniva costruita la monumentale stazione di Lucca. La decisione del Duca prevedeva anche una strada ferrata per Firenze attraverso Pistoia e Prato. Questo produsse l'inizio di negoziati con il Granducato di Toscana che condussero, nel 1845 alla pubblicazione del Manifesto e statuti della società anonima per la costruzione della strada ferrata Maria Antonia da Firenze a Pistoja per Prato. A Lucca veniva costituita analoga società che si sarebbe occupata di realizzare il tratto tra la capitale del piccolo Ducato, la Valdinievole e Pistoia.

Già nel 1848 venne inaugurata la tratta Firenze-Prato, assieme alla stazione Maria Antonia, e nel 1851 fu raggiunta Pistoia.

Nel 1859 Pistoia fu raggiunta dalla linea Lucchese, rendendo di fatto percorribile una nuova tratta Firenze-Pisa via Pistoia-Lucca.

Da notare che la linea Maria Antonia e la linea Leopolda rimasero separate in Firenze, nonostante le rispettive stazioni distassero poco più di un chilometro, fino al 1860; furono invece congiunte via Lucca-Pisa.

La Maria Antonia propriamente detta è ingegneristicamente molto semplice, priva di opere degne di nota è totalmente pianeggiante fino a Pistoia. Più complesso il tratto verso la Valdinievole e la Lucchesia che richiese la realizzazione della galleria di Serravalle.

Nonostante l'annessione di Lucca alla Toscana e la successiva unità nazionale la ferrovia, nel complesso, rimase sempre secondaria rispetto a quella del Valdarno. Nel 1864, con l'inaugurazione della Porrettana, le cose parvero cambiare in quanto la linea divenne parte integrante dell'asse Bologna-Firenze.

Nel 1934 l'inaugurazione della direttissima Firenze-Bologna, innestata a Prato alla Maria Antonia, relegò nuovamente a un ruolo secondario la tratta Prato-Pistoia e il proseguimento per Lucca, nonché la stessa Porrettana.

Il 2 ottobre 1960 venne attivato l'esercizio a trazione elettrica della tratta da Pistoia a Lucca.

Nel 1988 vennero attivate le fermate de Il Neto e di Pratignone.

Nel 2009 si sono conclusi i lavori di innesto alla linea originale del nuovissimo tracciato AV Firenze-Bologna, che ha comportato l'esclusione di Prato, in quanto la nuova tratta si collega al percorso originario in prossimità di Firenze Castello.