96-kilomeetrine kitsarööpmeline (750 mm) Virtsu-Rapla raudtee ühendas selle täna nii olulise sadama tollase Tallinn-Rapla-Türi-Viljandi rongiliiniga (avatud juba 1900. aastal)  ja võimaldas seega ka Tallinna inimestel rongiga Virtsusse sõita. Kokku oli liinil 15 jaama. Idee selle rongiliini rajamiseks oli laual juba enne Eesti iseseisvumist, 1917. aastal, kuigi ehitama hakati alles omariikluse kümnendal aastal, 1928. Ka toona eelnes raudtee rajamisele suur vaidlus, kuna Rumba küla elanike nõudel tuli selle sihti pisut muuta.

Maad võõrandati 24 meetri laiuse ribana, laiema muldkeha puhul ning jaamade juures suuremas ulatuses. Mullatööd ja sildade rajamine kulgesid plaanipäraselt ja said enamasti valmis 1930. aasta sügisel, välja arvatud Konuvere ja Rumba raudteesildade juures, kuhu tuli kõrgete raudteetammide jaoks kaugelt mulda viia. Virtsu juures Rame lahel müüriti 500 meetri pikkuselt tammi äärde kokku 13 600 kantmeetri jagu kive.  Sillad ning truubid rajati kivimüüritusega, betoonist ja raudbetoonist kandeosadega.

Rööbaste mahapanekut ja tee ballastimist alustati juunis 1930 nii Virtsu kui ka Rapla poolt. Virtsu poolt tööde alustamiseks vajalikud ehitusmaterjalid ja raudteeveerem (rööpad, liiprid, vedurid, vagunid jm) saadeti kohale mere kaudu. Raudteele oli rajatud 49 silda, 5 truupi ja 150 ülesõidukohta. Enamik jaamahooneid sai valmis 1930.–1931. aasta jooksul. Märjamaale,
Vigalasse, Lihulasse ja Virtsusse ehitati sama tüüpi veetornid, et varustada auruvedureid veega.

Raudtee ehitustöödest võttis osa 400–500 töölist. Planeeritud summast läks raudtee ehitamine 7,6% kallimaks, mille tõttu tuli kärpida veerevkoosseisu muretsemiseks ettenähtud vahendeid.

Uue raudtee krediidi arvelt valmistati Franz Krulli masinatehases 10 auruvedurit. 283 vagunit (neist 258 olid kaubavagunid) valmistasid aga Riigi Raudteede peatehas Tallinnas, Mõisaküla raudteetehas ja Valga töökojad. Kokku valmistati 1931–1940. aastatel 16 auruvedurit.

Kuna auruvedurite kiirused polnud bussidega võrreldes kuigi suured ning mõned peatused võisid kesta kuni 20 minutit, siis võeti Rapla-Virtsu raudteel reisirongiliikluse konkurentsivõime parandamiseks 1938. aastal kasutusele Tallinna Sadamatehases valmistatud diiselelektriajamiga mootorvagunid, milles oli 40 kohta reisijatele. Mootorvagunile võis järele haakida ka ühe reisivaguni, milles oli 44 istekohta. Mootorvagunid olid kahe vaguni ja auruveduriga reisirongist oluliselt kiiremad ja ligi kaks korda ökonoomsemad. Mootorvagun sõitis Tallinna-Sadama raudteejaamast Märjamaale keskmiselt üks tund ja 50 minutit, mis oli ligi 50 minutit lühem aeg kui reisirongil.

1935–1936 müüdi raudteeliini piletikassadest aastas keskmiselt 42 000 sõidupiletit. Rahvasuus Virtsu ekspressiks hüütud rong oli peamine transpordivahend saarlastele, kes hakkasid Rohuküla sadama asemel Virtsu sadamat kasutama. 1939. aasta suvel oli Tallinn-Virtsu kiirrongi keskmine kiirus 51,5 km/h.

1941. aastal vägivallatsenud hävituspataljonlasi vedanud nn Pleeri surmarongist saab pikemalt lugeda siit (kliki)

1957. aastal toodi Eestisse Kaluga masinaehitustehases toodetud diiselvedurid TU2 (ТУ2), mis arendasid kiirust kuni 50 km/h. 1966. aastal sõitis diiselveduriga reisirong Tallinn-Väiksest Virtsu 4 tundi ja 23 minutit, sellest kulus peatustele kokku 38 minutit.

Viimane reisirong väljus Virtsust 25. mail 1968 kell 21:06. Rööpad võeti valdavas osas üles 1969. aastal, liiprid jäeti alles. Raikkülani (Raikülani) käisid rongid 1971. aastani, et teenindada seal asunud Nõukogude Liidu sõjaväebaasi. Kitsarööpmeliste raudteede sulgemise otsus tuli Moskvast.

Kuigi loodeti, et seejärel ehitatakse ka Virtsu liin laiarööpmeliseks, pole sellest plaanist siiani asja saanud. Jaamahoonetest on hävinud Kirbla (lammutatud 1980. aastatel) ja Virtsu (purustatud 1944).