Mit Beginn des Eisenbahnzeitalters in Deutschland 1835 begann ein regelrechter "Boom" im industriellen und im Reiseverkehrsbereich. Waren Städte noch vor fünf Jahren nur mit der Pferdekutsche und einer - je nach zu überbrückender Distanz - längeren Reise erreichbar, gelang dies mit der Eisenbahn oftmals innerhalb eines Tages oder sogar in wenigen Stunden. Dieser Fortschritt wurde auch im damaligen Preußen und Bayern (heute Rheinland-Pfalz und Baden-Württemberg) erkannt. Schnell wurde die Eisenbahn als Transportmittel für industrielle Rohstoffe genutzt. Dies brachte auch den Anstoß für die ersten Planungen zum Bau der Pfälzischen Ludwigsbahn.
Der bayerische König Ludwig I. gab 1837 den Auftrag zum Bau einer Eisenbahnlinie von Rheinschanze - dem damaligen Ludwigshafen - ins heute saarländische Bexbach. Hauptziel dieser neuen Linie sollte der Transport von Kohle aus den Gruben in Bexbach und im Umfeld der Stadt an den Rhein zur weiteren Verschiffung und industriellen Nutzung sein. Am 10. Januar 1838 gründete sich eine "Provisorische Gesellschaft zum Bau der Strecke Rheinschanze - Bexbach". (1865 wurde der Ortsname Rheinschanze durch Ludwigshafen am Rhein ersetzt.) Bereits Ende März, am 30. März 1838, erfolgte die Gründung der "Aktiengesellschaft zum Bau der Rheinschanz-Bexbacher Eisenbahn". Mit der Durchführung der Planungs- und Bauarbeiten wurde der in Frankreich geborene Ingenieur Paul Camille von Denis beauftragt. Er errichtete in Frankenstein eine großzügige Villa, in der er wohnte und arbeitete; dort verrichtete er auch seine Hauptplanungsarbeit. Die Villa wurde bereits 1854 wieder an die Mannheimer Bankiersfamilie Ladenburg verkauft, welche maßgeblich an der wirtschaftlichen Entwicklung der Stadt Ludwigshafen durch ihre Beteiligung an der Badischen Anilin- und Sodafabrik (BASF) beteiligt war. Heute befindet sich die Villa, nachdem sie mehrmals ihren Besitzer wechselte, im Besitz der Technischen Universität Kaiserslautern, welche sie für Seminare und Veranstaltungen nutzt.
Unter von Denis' Führung wurde das Projekt "Rheinschanz-Bexbacher Eisenbahn" 1844 in "Pfälzische Ludwigsbahn" umbenannt. Gleichzeitig gründete sich die "Pfälzische Ludwigsbahn-Gesellschaft", deren Hauptaufgabe zunächst der Betrieb der Pfälzischen Ludwigsbahn sein sollte. Nach Fertigstellung dieser Strecke kamen weitere dazu, sodass die Pfälzische Ludwigsbahn-Gesellschaft nur noch kurz als "Pfalzbahn" bezeichnet wurde. Die Pfälzische Ludwigsbahn blieb dabei jedoch die "Magistrale der Pfalzbahn". Die heutige Strecke Ludwigshafen (Rhein) Hbf - Bexbach entspricht der Pfälzischen Ludwigsbahn.
Mit Abschluss der Planungsarbeiten Ende 1844 wurde die Baugenehmigung erteilt, der Bau der Strecke begann kurz Zeit später, gegen Ende März 1845.
Ursprünglich war geplant, die Strecke von Ludwigshafen über Speyer nach Neustadt zu führen. Gegen diesen Planungsvorschlag gab es jedoch massiven Protest aus Schifferstadt: Hier wollte man auch von der neuen Bahnlinie profitieren und forderte, ebenfalls angeschlossen zu werden. Daraufhin wurde durch das Planungskomitee der Verlauf der zukünftigen Strecke dahingehend geändert, dass man nun von Ludwigshafen direkt nach Schifferstadt und weiter nach Deutschland baute und Speyer über eine - damals noch - Stichstrecke eine Anbindung ermöglichte. Selbstverständlich wurde die Stichstrecke zeitgleich mit der Hauptstrecke in Betrieb genommen, um weitere Konflikte zu vermeiden. Der Speyrer Streckenast wurde wenige Jahre später über Germersheim und Bruchsal nach Karlsruhe verlängert und ist heute bis Germersheim in die S-Bahn RheinNeckar integriert (Linien 3 und 4).

Erster Bauabschnitt: Von Ludwigshafen nach Neustadt über Schifferstadt mit Anschluss nach Speyer
Die Streckenführung von Ludwigshafen bis Neustadt gestaltete sich - bedingt durch die geografischen und geologischen Gegebenheiten der Region - als äußerst einfach: Von Ludwigshafen bis Schifferstadt verläuft die Strecke schnurgerade mit nur wenigen Bögen. Die Ausfahrt aus dem Bahnhof Schifferstadt wurde mit einem engeren Gleisbogen ausgestaltet, welcher nur eine geringere Geschwindigkeit erlaubte, bautechnisch jedoch ebenfalls einfach zu realisieren war. Zwischen Schifferstadt und dem heutigen Bahnhof Neustadt-Böbig (damals noch nicht existent und auch noch nicht in Planung) setzte man den in Ludwigshafen begonnenen geraden Streckenweg fort: Der längste bogenfreie Abschnitt der Strecke entstandt. Dieser endet kurz vor der Einfahrt in den Bahnhof Neustadt-Böbig. Der Bahnhof Schifferstadt war somit nur durch einen "Schlenker" der Strecke zu erreichen. Dieser wurde 2002 dahingehend beseitigt, dass für Güterzüge und Fernverkehrszüge eine Umfahrung errichtet wurde, welche nun einen annähernd geraden Streckenverlauf zwischen Limburgerhof und Böhl-Iggelheim ermöglicht und damit den Bogen nach Schifferstadt meidet (siehe dazu auch das Kapitel Ausbau).
Beim Bau der Stichstrecke von Schifferstadt nach Speyer konnte man nicht mehr nur geradeaus bauen, hier mussten einige Bögen mit engen Radien in Kauf genommen werden. So darf auch heute die Einfahrt in den Bahnhof Schifferstadt aus Richtung Speyer nur mit verringerter Geschwindigkeit befahren werden. Dennoch waren auch auf dieser Strecke keine größeren Eingriffe in die Landschaft erforderlich, sodass man auch hier recht zügig mit dem Bau vorankam.
Bedingt durch diese Vereinfachungen in Planung und Bau konnte man bereits nach nur etwas mehr als zwei Jahren Bauzeit am 11. Juni 1847 den ersten Streckenteil eröffnen. Mit einer feierlichen Parade fuhr an diesem Tag der erste Zug von Ludwigshafen nach Neustadt und von Schifferstadt nach Speyer.

Zweiter, dritter und vierter Bauabschnitt: Von Neustadt nach Frankenstein und weiter nach Kaiserslautern und Homburg
War der erste Bauabschnitt noch eine Aufwärmübung für Ingenieure und Arbeiter, so gestaltete sich der zweite bereits schwieriger. Hier galt es, den hügeligen Pfälzer Wald bis Frankenstein zu durchqueren. Aufgrund der zur Bauzeit noch nicht sehr weit vorangeschrittenen Technik im Tunnelbau entschied man sich dafür, die Strecke auf möglichst schnellstem Weg nach Kaiserslautern zu führen: Man errichtete Tunnel, wo dies unvermeidbar war, und führte die Strecke in teilweise engen Bögen um Erhebungen herum. Heute würde man sich wohl für eine Komplettuntertunnelung der Strecke auf diesem Abschnitt entscheiden; Planungen dieser Art gab es im Rahmen der Ausbaupläne, allerdings wurden diese aus Kosten- und Zeitgründen nicht umgesetzt.
Da für die Arbeiten des Abschnitts Neustadt - Frankenstein eine größere Zeitspanne veranschlagt wurde, man gleichzeitig aber so wenig Zeit wie möglich verlieren wollte, begann man parallel mit den Arbeiten zwischen Neustadt und Frankenstein auch mit der Errichtung des Abschnitts Kaiserslautern - Homburg sowie mit dem Bau des Abschnitts Kaiserslautern - Frankenstein als Lückenschluss zwischen Neustadt und Kaiserslautern. Mit den Arbeiten für alle drei Abschnitte begann man zeitgleich unmittelbar nach der Fertigstellung des ersten Abschnitts bis Neustadt noch im Sommer 1847.
Die Streckenführung zwischen Kaiserslautern und Homburg wurde über Landstuhl festgelegt. Ähnlich wie bereits zwischen Ludwigshafen und Neustadt war hier ein großer Teil der Strecke recht einfach zu errichten: Die Westpfälzische Moorniederung - auch als Landstuhler Bruch bezeichnet - ermöglichte ab Landstuhl einen Verlauf, welcher nur durch wenige kleine Bögen mit weiten Radien gekennzeichnet ist. Zwischen Kaiserslautern und Landstuhl musste die Strecke bis kurz vor den heutigen Haltepunkt Vogelweh über einen langgezogenen Bogen aus Kaiserslautern herausgeführt werden. Heute ist diese Kurve mit verhältnismäßig hohen Geschwindigkeiten befahrbar, zum Zeitpunkt der Fertigstellung musste hier allerdings noch langsam gefahren werden. (Als Ergänzung sei angemerkt: Heute ist die Ein- und Ausfahrt in bzw. nach Kaiserslautern Hbf nur mit 100 km/h möglich. Dies ist zurückzuführen auf eine engere Kurve im unmittelbaren Einfahr- bzw. Ausfahrbereich.) Der Abschnitt konnte schließlich nach knapp einem Jahr Bauzeit am 1. Juli 1848 in Betrieb genommen werden.
Schleppender verliefen die Bauarbeiten auf den Abschnitten Neustadt - Frankenstein und Frankenstein - Kaiserslautern. Auf ersterem mussten Einschnitte vorgenommen und Tunnel gegraben werden, was den Bau erheblich verlangsamte. Immer wieder kam es in den Tunnelbaustellen zu Wassereinbrüchen, was den Arbeitern oft für mehrere Tage eine unfreiwillige Ruhepaus bescherte. Zwischen Frankenstein und Kaiserslautern verlief der Bau etwas schneller, jedoch musste man auch hier - wenngleich auf einem ungleich kürzeren Teilstück - Landschaftseinschnitte schaffen. Weiterhin gab es zwischen Hochspeyer und Kaiserslautern noch ein weiteres Hindernis, was man nur durch einen Tunnel umgehen konnte: Mit dem Heiligenbergtunnel entstand hier der mit 1347 m längste Tunnel der Pfälzischen Ludwigsbahn. Der Tunnel hinderte die Ingenieure jedoch nicht an einer Streckenführung, welche ab Hochspeyer bis Kaiserslautern nur geringe Radien aufwieß, ähnlich wie bereits die Abschnitte Ludwigshafen - Neustadt und Kaiserslautern - Homburg. Am 2. Dezember 1848 waren auch auf diesem Teilstück die Arbeiten vollendet und die Strecke war nun von Frankenstein nach Homburg durchgehend nutzbar.
Zwischen Neustadt und Kaiserslautern war man währenddessen noch immer am Bauen. Schließlich konnte man auch hier am 25. August 1849 nach gut drei Jahren Bauzeit den Betrieb aufnehmen.

Fünfter Bauabschnitt: Von Homburg nach Bexbach und weiter nach Neunkirchen
Bereits zwei Monate vor Inbetriebnahme des Abschnitts Neustadt - Frankenstein ging am 6. Juni 1848 die Strecke Homburg - Bexbach in Betrieb. Man hatte hier mit den Bauarbeiten nach Vollendung des Abschnitts Kaiserslautern - Homburg begonnen und arbeitete somit parallel zu den anderen Bauabschnitten.
Die Streckenführung von Homburg nach Bexbach gestaltete sich im Ausfahrbereich aus Homburg als schwierig konstruierbar: Man musste hier die Strecke über einen längeren Bogen nach Nordwesten führen, gleichzeitig durfte der Radius nicht zu eng gewählt werden. Man entschied sich letztlich für eine Kurve mit kleinem Radius, aber für damalige Verhältnisse recht große Überhöhung, welche nur eine geringe Geschwindigkeit erlaubte. Noch heute erlaubt dieser Bogen nur eine Höchstgeschwindigkeit von 80 km/h in beide Richtungen.
Nachdem die Strecke Homburg verlassen hatte, gestaltete sich die Führung bis Bexbach als vergleichsweise einfach. Lange Bögen mit geringen Radien erforderten keine großen Maßnahmen, lediglich Landschaftseinschnitte nahmen viel Zeit in Anspruch. In Bexbach mündet die Pfälzische Ludwigsbahn nahtlos in die Strecke nach Neunkirchen, welche damals als Zechenanschlussbahn betrieben wurde.
Mit dem Lückenschluss Kaiserslautern - Frankenstein war die Pfälzische Ludwigsbahn damit ab dem 25. August 1849 vollständig von Ludwigshafen bis Bexbach befahrbar.