Zdaniem Gieorgija Karcowa, wraz z wybudowaniem kolei uległ znacznemu przyśpieszeniu wywóz z Puszczy mniej cennych sortymentów drzewnych, dzięki czemu bardzo szybko oczyszczono rozległe partie lasu od zalegających w nich wiatrołomów i posuszu. Franciszek L. Gliński podaje, iż tylko w 1898 roku wywieziono koleją 487 sztuk kłód oraz 7716 sążni sześciennych drobnicy. Ponadto dzięki kolei gospodarka łowiecka otrzymała silny bodziec do przywozu do Białowieży zwierzyny, co wkrótce dało się zauważyć w zwierzostanie. Czasami też zwierzynę wywożono stąd do innych ośrodków hodowlanych.

W latach 1905-1906 Hajnówkę przecięła druga linia kolejowa, biegnąca z Siedlec przez Czeremchę, Hajnówkę, Wołkowysk, Lidę, Mołodeczno do stacji Bołogoje (na trasie Sankt-Peterburg — Moskwa). Tę strategiczną inwestycję prowadził resort obrony narodowej. Wtedy to Hajnówka otrzymała murowany dworzec kolejowy, ulokowany rosyjskim zwyczajem wśród torów. Wybudowano także wieżę ciśnień, parowozownię, obrotnicę i urządzenie do zaopatrywania parowozu w węgiel. Hajnówka stała się węzłem kolejowym.

W czasie I wojny światowej hajnowski dworzec został zniszczony. Odbudowano go w latach 1919-1920. Rampa carska w Białowieży ucierpiała nieznacznie, mimo to rozebrano ją na początku drugiej połowy lat dwudziestych.

Podczas wojny Niemcy wykorzystywali kolej białowieską do wywozu pozyskiwanego z Puszczy drewna. Dziennie odprawiano do Niemiec do 28 pociągów. W sumie wywieziono z Puszczy około czterech milionów metrów sześciennych drewna.

W okresie międzywojennym Białowieża posiadała przez dłuższy czas dwa połączenia na dobę. Jeden pociąg (nocny) kursował bezpośrednio do Warszawy, drugi (dzienny) — do Białegostoku. W sezonie letnim Ministerstwo Komunikacji uruchamiało w soboty i dni przedświąteczne specjalny pociąg z Warszawy. W ostatnich latach przed wybuchem II wojny światowej Białowieża miała cztery połączenia na dobę, w tym jedno towarowe.

O ile w czasach carskich i pierwszych latach okresu międzywojennego normalne składy wagonów docierały tylko do stacji obok Podolan, to w następnych latach dojeżdżały także do rampy carskiej (przystanek Białowieża-Pałac). Dzięki istnieniu tzw. trójkąta, pociąg mógł dokonywać obroty parowozu. Po drodze do Hajnówki zatrzymywał się w Grudkach i Czerlonce. Stacja obok Podolan posiadała niewielką salkę i bufet.

Istnienie kolei w owym czasie odegrało dużą rolę w rozwoju ruchu turystycznego, gdyż większość wycieczek, szczególnie młodzieżowych, przybywała do Białowieży pociągiem. Turystów na stacji każdorazowo witał pracownik Parku Narodowego.

Podobnie jak niegdyś przystrajano dworzec z okazji przyjazdów cara, tak samo czyniono przed przybyciem uczestników polowań reprezentacyjnych, organizowanych w Puszczy Białowieskiej od 1930 roku przez prezydenta Ignacego Mościckiego.

W 1941 roku Armia Czerwona rozpoczęła budowę linii kolejowej Bereza Kartuska — Prużana — Białowieża, dla celów strategicznych. Prace te przerwał napad Niemiec na ZSRR. Odcinka Prużana — Białowieża nie zdążono zbudować.

W czasie II wojny światowej linia kolejowa Hajnówka — Białowieża była kilkakrotnie obiektem akcji dywersyjnych działających w Puszczy grup partyzanckich. W połowie lipca 1944 roku wycofujące się oddziały niemieckie zniszczyły tory kolejowe, używając do tego celu specjalnego pociągu. W Hajnówce wysadzono dworzec, wieżę ciśnień, parowozownię i wiadukt. Ponowne uruchomienie komunikacji na linii Hajnówka-Białowieża nastąpiło 23 czerwca 1946 roku. Poświęcenia odbudowanego odcinka dokonał arcybiskup Romuald Jałbrzykowski. Natomiast uroczyste otwarcie linii z Hajnówki do Bielska Podlaskiego nastąpiło 10 lutego 1947 roku.

Powojenny okres charakteryzował się stale rosnącą liczbą podróżnych. Białowieżanie dojeżdżali do Hajnówki do pracy, szkół i urzędów. Niebawem zaczęto dotkliwie odczuwać brak przestronnej poczekalni. Niewielki budyneczek z czasów carskich pękał dosłownie w szwach. Po długotrwałych staraniach władze gminy doprowadziły do budowy nowego dworca. Jego oficjalne otwarcie nastąpiło 3 marca 1976 roku. Projektantami obiektu byli warszawscy architekci Wacław Kłyszewski, Jerzy Mokrzyński i Eugeniusz Wierzbicki, tworzący zespół „Tygrysy”.

Miłym akcentem w historii tej trasy było również oddanie do użytku 10 listopada 1984 roku przystanku na Grudkach, zbudowanego przy udziale całej gminy. Niebawem nowy dworzec otrzymała Hajnówka. Jego otwarcie nastąpiło 9 września 1986 roku. Przy okazji poprawiono perony, położono asfalt, ustawiono barierki oddzielające perony. Do tego czasu, przez ponad 40 lat, podróżni korzystali z baraku zastępującego dworzec.

W 1986 roku budynek dworca kolejowego Białowieża-Towarowa wpisany został do rejestru zabytków. W dwa lata później do rejestru wpisano także znajdującą się opodal wieżę ciśnień.

W połowie kwietnia 1987 roku reżyser Andrzej Wajda, zafascynowany urodą starej zabudowy stacyjnej Białowieża-Towarowa, zrealizował w jej plenerach liczne sceny do filmu „Biesy” wg powieści Fiodora Dostojewskiego.

Popularność linii kolejowej Hajnówka — Białowieża zaczęła spadać po uruchomieniu w dniu 3 grudnia 1984 roku linii PKS, łączącej obie miejscowości. Także wydłużony czas przejazdu do jednej godziny (wcześniej około 35 minut) odebrał PKP kolejną grupę podróżnych.

W 1987 roku Białowieża posiadała jeszcze siedem połączeń na dobę z Hajnówką, ponadto trzy bezpośrednie połączenia z Bielskiem Podlaskim i dwa z Białymstokiem. W sezonie letnim kursował w soboty i niedziele pociąg pospieszny, mający bezpośrednią łączność z Warszawą-Zachodnią.

W styczniu 1991 roku normalne składy wagonowe zastąpił tzw. autobus szynowy (na całej długości tzw. białowieskiego odgałęzienia z Bielska Podlaskiego). Kursował on do 29 maja 1994 roku, po czym PKP zawiesiło ruch na tej linii. Wprowadzono natomiast zastępczą komunikację autobusową, w ramach obsługi przez PKP. Komunikacja ta funkcjonowała do 15 sierpnia 1999 roku, kiedy to Zakład Przewozów Pasażerskich PKP w Białymstoku zawiesił ją na stałe z przyczyn ekonomicznych. Komunikacja zastępcza odbywała się na linii Bielsk Podlaski — Hajnówka — Białowieża.

Latem 1994 roku białowieski przedsiębiorca Stanisław Maciejewski wykorzystał nieczynny przystanek PKP Białowieża-Pałac do urządzania w nich zabaw dyskotekowych dla młodzieży.

Mieszkańcy Białowieży i okolicznych gmin od momentu pojawienia się pierwszych sygnałów o planowanej przez PKP likwidacji linii kolejowej, zaczęli zdecydowanie występować w jej obronie. Odbyło się szereg spotkań miejscowych władz, przedstawicieli zakładów pracy i różnych organizacji z władzami kolejarskimi. Dowodzono zasadności utrzymania komunikacji. Niestety, przedstawiciele PKP pozostali nieczuli na przytaczane rzeczowe argumenty, trzymając się opinii o nierentowności całej trasy. Także akcja zbierania podpisów pod protestem w sprawie likwidacji kolei, adresowanym do Sejmu, Senatu i Rządu RP, przeprowadzona przez lokalną gazetę „Białowieżanin” nie odniosła skutku.

W dniu 16 czerwca 1997 roku CDOKP w Warszawie podpisała umowę wynajmu obu niszczejących dworców w Białowieży Konwentowi Porozumienia Polsko-Białoruskiego, który zamierzał przekształcić je w ośrodek wypoczynkowy. Niebawem jednak Konwent od swego zamiaru odstąpił.

W lutym 2000 roku Polskie Koleje Państwowe S.A. z siedzibą w Warszawie zawarły z Zarządem Gminy Białowieża umowę przeniesienia użytkowania wieczystego należącego do PKP S.A. gruntu i własności posadowionych na nim budynków celem wygaszenia zobowiązania podatkowego z tytułu podatku od nieruchomości. We wrześniu 2000 roku Gmina Białowieża, w zamian za zwolnienie z długu powstałego przy budowie szkolnej sali gimnastycznej, przekazała należące do niej nieruchomości kolejowe na własność Spółce Akcyjnej Budimex Unibud (następnie Budimex Dromex S.A.) z siedzibą w Warszawie. W sierpniu 2003 roku Podlaski Wojewódzki Konserwator Zabytków w Białymstoku, wydał Spółce Budimex Dromex SA nakaz wykonania prac remontowych, zabezpieczających budynki dworca i wieży ciśnień. Od decyzji tej spółka złożyła odwołanie do Ministra Kultury, jednocześnie podjęła kroki w celu pozbycia się kłopotliwych obiektów. W listopadzie 2003 roku właścicielami zabytkowej Stacji PKP Białowieża Towarowa zostali Hanna i Michał Olszewscy, Michał Drynkowski oraz Katarzyna Frąckowiak. Rozpoczęli oni kompleksowe prace remontowo-modernizacyjne. Po ich zakończeniu, w dniu 12 lutego 2005 roku otwarto w głównym budynku ekskluzywną Restaurację „Carską”. Projekt adaptacji budynku dworcowego na obiekt gastronomiczny opracowała mgr inż. arch. Anna M. Lebiedzińska-Łuksza.

Nieco mniej szczęścia miał przystanek kolejowy PKP Białowieża-Pałac (pow. 1,70 ha). Rada Gminy Białowieża podjęła w dniu 17 kwietnia 1998 roku uchwałę, zgodnie z którą obiekt ten został przeznaczony „pod urządzenia obsługi turystyki i wypoczynku z dopuszczeniem innych usług towarzyszących”. W grudniu 2006 roku budynek przystanku został całkowicie rozebrany, ostał się jedynie peron, na którym półtora roku wcześniej zdemontowano zadaszenie.

Miejscowe władze samorządowe cały czas mają nadzieję na wznowienie funkcjonowania ruchu kolejowego na linii. Celowi temu na pewno służyły zorganizowane dwukrotnie próbne przejazdy autobusów szynowych po zamkniętej linii. Pierwszy przejazd, z udziałem około stu mieszkańców powiatu hajnowskiego i turystów, odbył się w dniu 2 maja 2001 roku. Drugi przejazd miał miejsce w dniu 17 czerwca 2007 roku i był zorganizowany w ramach obchodzonych w województwie podlaskim Dni Techniki Kolejowej. W przejeździe, którego organizatorem było Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Komunikacji oraz Zakłady Kolejowe Grupy PKP SA, udział wzięło około 150 pasażerów.

W dniu 17 lipca 2001 roku Starosta Powiatu Hajnowskiego złożył w Dyrekcji Infrastruktury PKP S.A. w Warszawie wniosek o przejęcie linii kolejowej Nieznany Bór-Białowieża na mienie powiatu. Natomiast 31 sierpnia 2006 roku Rada Powiatu Hajnowskiego powzięła uchwałę o nieodpłatnym przejęciu tej linii przez Starostwo Powiatowe. Powiat ostatecznie przejął linię na własność we wrześniu 2007 roku. W czerwcu 2008 roku Zarząd Powiatu wyraził zgodę na nieodpłatne użytkowanie linii kolejowej Nieznany Bór-Białowieża do przejazdu lekkimi pojazdami szynowymi (drezyny ręczne, rowery szynowe) przez Stowarzyszenie Miłośników Kolei „Kolejowe Podlasie”. W zamian Stowarzyszenie zobowiązało się do utrzymania trójkątów widzialności na przejazdach kolejowych, usuwania drzew i krzewów rosnących na torze, dokonywania oględzin stanu torowiska i infrastruktury.

Przejęcie linii przez Starostwo Powiatowe nieoczekiwanie zrodziło spór pomiędzy starostą a wójtami gmin Hajnówka i Białowieża. Poszło o to, że gminy zaczęły naliczać Starostwu podatek od przejętej nieruchomości. Oczywiście, Starostwu takie posunięcie zupełnie nie odpowiada, gdyż w znaczący sposób obciąża jego budżet. Linia stała się swoistą kością niezgody pomiędzy lokalnymi samorządami. Nie wróży to jej dobrze.