Die Herzogtümer Schleswig, Holstein und Lauenburg standen bis 1864 unter dänischer Verwaltung. Nach dem Deutsch-Dänischen Krieg (1864-1866) musste Dänemark die drei Herzogtümer an Preußen und Österreich abtreten, die es zunächst gemeinsam als Kondominium verwalteten. 1865 kam Lauenburg zu Preußen, 1866 auch Schleswig und Holstein, die 1867 zur preußischen Provinz Schleswig-Holstein wurden und der 1876 Lauenburg einverleibt wurde. Die ersten Bahnen in dieser Region, die Hamburg-Bergedorfer Eisenbahn-Gesellschaft (1842) auf Hamburger Gebiet und die Altona-Kieler Eisenbahn-Gesellschaft (1844) in Holstein, waren zugleich die ersten privat finanzierten Eisenbahnunternehmen in diesem Gebiet. Die Regierungen scheuten seinerzeit das finanzielle Risiko des Bahnbaues bzw. hatten kein Interesse daran.

Südlich der Elbe hatten allerdings die Königlich Hannöverschen Staatseisenbahnen die Strecke von Uelzen nach Harburg gebaut (1847). Der angestrebte Bau einer Strecke von Lübeck nach Hamburg (sie musste über holsteinisches, unter dänischer Herrschaft stehendes Gebiet führen) wurde von Dänemark verwehrt. Die Lübeck-Büchener Eisenbahn-Gesellschaft hatte es deshalb schwer, eine Verbindung nach Hamburg einzurichten. Erst über den Umweg Lübeck-Büchen war ein Anschluss an die Berlin-Hamburger Bahn möglich (1851).

Beim weiteren Bahnbau mussten viele natürliche Hindernisse, wie Flüsse, Kanäle und Niederungen, überwunden werden. 1872 wurden die Norder- und die Süderelbe überquert, so dass die Züge in und aus Richtung Süden Hamburger Gebiet erreichen konnten. Von 1864 bis 1878 bestand bei Lauenburg über die Elbe für den Güterverkehr eine Eisenbahntrajekt-Verbindung, die 1878 von einer 448 Meter langen Eisenbahnbrücke abgelöst wurde. Der von 1887 bis 1895 erbaute Kaiser-Wilhelm-Kanal von Kiel nach Brunsbüttel stellte die Ingenieure des Eisenbahnbrückenbaues vor große Herausforderungen, denn an mehreren Stellen mussten die Strecken über ihn hinweg geführt werden. Vier große Eisenbahnbrücken überqueren heute die stark befahrene Wasserstraße in schwindelerregender Höhe. Der Ruf der Freien und Hansestadt Hamburg als "Tor zur Welt" begann am 15. Oktober 1888 mit der Gründung des Freihafens. Ab sofort übernahm die Eisenbahn den größten Teil der Zu- und Abfuhr der Handelsgüter über See. Während der deutschen Teilung wickelte die Bahn Transporte lebenswichtiger Güter in der Relation Osteuropa-Übersee ab, fast ausschließlich über den Grenzübergang Büchen. Die Vogelfluglinie mit ihren Hochseefährschiffen stellte eine weitere Besonderheit im Bundesbahndirektionsbezirk Hamburg dar.

Die Wiedervereinigung Deutschlands führte zu einem großen Wachstum des Ost-West-Verkehrs, wenn auch einige Eisenbahnverbindungen aus Vorkriegszeit gekappt blieben, wie die Strecken Wittenberge-Lüneburg oder Zarrentin-Klein Berkenthin.