Jako wyjątek wśród kolei na obszarze Cesarstwa Rosyjskiego miała ona szerokość toru 1435 mm (przyjętą za standard w większości państw Europy i współczesnych kolejach polskich), w przeciwieństwie do stosowanej w Rosji od 1843 szerokości 1524 mm.
W pierwszym roku funkcjonowania kolei (1845) przewieziono 143 600 pasażerów i 143 300 cetnarów towarów. Tabor kolejowy wówczas składał się z 8 lokomotyw parowych (opalanych drewnem), 58 wagonów osobowych i 62 towarowych. W 1848 liczba lokomotyw sięgnęła już 35, wagonów osobowych 87 i towarowych 312.
W latach 1859 i 1862 otwarto połączenia do granicy pruskiej: z Ząbkowic do stacji Sosnowiec i z Łowicza do Aleksandrowa Kujawskiego, łączące odpowiednio z Katowicami i Toruniem w zaborze pruskim. W 1866 r. wybudowano połączenie pomiędzy Koluszkami a Łodzią (dziś Łódź Fabryczna).
Rozbudowy i modernizacje Kolej poddawana była stałej modernizacji technicznej wraz z rozwojem techniki kolejowej. Od 1859 r. parowozy opalano węglem. W latach od 1860 do 1880 ułożono drugi tor od Warszawy do Ząbkowic. W 1890 r. liczba lokomotyw sięgnęła 287, wagonów osobowych 432 i towarowych 8718; liczba przewiezionych pasażerów sięgnęła 2,5 miliona, a ładunków 2,7 miliona ton. Do 1901 r.