A ideia de construir uma ferrovia nas margens dos rios Madeira e Mamoré surgiu na Bolívia em 1846. Como o país não tinha uma alternativa eficiente para escoar a produção de borracha por seu território, era necessário criar um meio que possibilitasse a exportação do produto através do Oceano Atlântico.

A ideia inicial era optar pela navegação fluvial, subindo o rio Mamoré em território boliviano e depois pelo rio Madeira, no Brasil. No entanto, o percurso fluvial apresentava grandes obstáculos, como vinte cachoeiras que impediam a navegação. Assim, cogitou-se a construção de uma estrada de ferro para cobrir o trecho problemático por terra.

Em 1867, no Brasil, os engenheiros José e Francisco Keller organizaram uma grande expedição para explorar a região das cachoeiras do rio Madeira e delimitar o melhor traçado para a instalação de uma ferrovia.

Apesar das dificuldades enfrentadas com a navegação fluvial, em 1869, o engenheiro estadunidense George Earl Church obteve do governo boliviano a concessão para criar e explorar uma empresa de navegação que ligasse os rios Mamoré e Madeira. No entanto, diante das reais dificuldades dessa empreitada, os planos foram eventualmente alterados para a construção de uma ferrovia.

As negociações avançaram e, ainda em 1870, Church recebeu do governo brasileiro a permissão para construir uma ferrovia ao longo das cachoeiras do Rio Madeira.