La linea Tirso-Chilivani fa parte del primo blocco di ferrovie secondarie realizzate in Sardegna. Vennero date in concessione dal Governo alle Strade Ferrate Secondarie Sarde. La Tirso-Chilivani nacque per iniziativa delle Strade Ferrate Secondarie della Sardegna sul finire dell'800, come bretella ferroviaria per congiungere la Macomer-Nuoro con la stazione di Chilivani della Compagnia Reale delle Ferrovie Sarde. Dall'importante snodo delle Reali si sarebbe potuto proseguire in direzione di Sassari-Porto Torres ed Olbia-Golfo Aranci. La linea venne studiata anche come collegamento veloce tra la cittadina di Ozieri e la stazione di Chilivani dopo le lamentele ozieresi riguardo la lontananza della stazione delle Reali dal centro cittadino.
La querelle per il tracciato ferroviario delle Reali a Nord di Oristano, coinvolse anche la cittadina di Ozieri; ci furono due correnti di pensiero: la prima considerava il traccioto passante per le montagne del Goceano ed Ozieri il più utile ai fini dell'utenza raggiunta ed era sostenuto da numerosi sindaci dei centri interessati, il secondo gruppo di pensiero, sostenuto principalmente dalla stessa Compagnia Reale, riteneva che passare per Macomer sarebbe stato decisamente meglio. Ovviamente in questo caso la stazione non si sarebbe più realizzata ad Ozieri ma nella piana sottostante. Vinse quest'ultima soluzione e quando nel 1879 il Governo varò una legge per la costruzione in tutta Italia di ferrovie secondarie, la cittadina si Ozieri si propose per la realizzazione di una linea che collegasse Chilivani con Ozieri e proseguisse verso i monti del Goceano abbandonati dalle Reali.
Difatti, il primo tratto che venne aperto al pubblico furono i 9 km tra Ozieri e Chilivani inaugurati il 10 febbraio 1891. Data la lunghezza e la tortuosità del percorso, per vedere completata la linea, si dovettero aspettare oltre due anni e più precisamente il 1º aprile 1893. La linea terminava in territorio di Illorai nella stazione che venne chiamata Tirso posta pressapoco a metà del percorso della Macomer-Nuoro. Lungo la linea vennero realizzate numerose stazioni e fermate per i numerosi paesi sparsi sulle montagne del Goceano: Vigne, Pattada, Buddusò, Osidda, Benetutti-Nule, Bultei, Anela, Bono, Bottida, Burgos-Esporlatu ed Illorai. Il tempo di percorrenza era di circa cinque ore, un lusso per l'epoca dove la trazione era esclusivamente animale (che si trattasse di cavallo o carro a buoi) con tempi decisamente superiori.
Nel 1921 la gestione della linea passò dalle Secondarie alle Ferrovie Complementari della Sardegna e come per le altre linee del compartimento di Macomer, a metà degli anni '30, anche sulla Tirso-Chilivani arrivarono le automotrici diesel Emmine e Fiat. Il tempo di percorrenza si ridusse considerevolmente ma con l'entrata in guerra dell'Italia fascista non si poteva sprecare carburante per i treni e si tornò alle vetuste locomotive a vapore.
Dopo i difficili anni della guerra, sulla linea si fecero lavori di ammodernamento come per le altre linee della Sardegna danneggiate dai bombardamenti. Nel 1958, come nelle altre tratte del compartimento di Macomer, entrarono in servizio le automotrici ADe ed i locomotori LDe che ridussero della metà i tempi di esercizio. Per i convogli merci si continuarono ad utilizzare le vaporiere con quasi settant'anni di onorato servizio sulle spalle. La linea era abbastanza frequentata e questo la salvò dalla scure del governo che nel 1956 e nel 1958 chiuse i cosiddetti rami secchi delle linee sarde.
Ciò nonostante, complice anche la non rosea situazione finanziaria delle FCS che da li a qualche anno sarebbero state commissariate, il 31 dicembre 1969 la linea cessò la sua attività e lasciò il posto a un servizio di autolinee sostitutive tutt'ora esistente. Il ministro, nel motivare la chiusura della linea, sostenne che non era più concorrenziale rispetto al traffico su gomma ma gli autobus sostitutivi impiegano il medesimo tempo impiegato dai treni!
