L'entrata in guerra dell'Italia, nel maggio del 1915, accelerò la realizzazione della ferrovia. L'obbiettivo di trasportare in 24 ore, da Ora alla Val di Fiemme, un'intera brigata di fanteria, completa di equipaggiamento e armamento, indusse lo stato maggiore imperiale a fare proprio il progetto auspicato dalla città di Bolzano. Data la ristrettezza del tempo a disposizione, per evitare l'onerosa costruzione di un ponte sull'Adige, l'innesto sulla linea del Brennero venne spostato da Egna a Ora. In alternativa allo scartamento metrico, previsto dai progetti sino ad allora elaborati, si optò per lo scartamento 76 cm, maggiormente diffuso nei territori dell'impero austro-ungarico; così facendo sarebbe stato più agevole reperire il numeroso materiale rotabile. Le priorità belliche non impedirono di sviluppare l'opera nella prospettiva di un successivo utilizzo civile e turistico: opere d'arte, traversine e materiale rotabile di nuova costruzione, furono sin dall'inizio progettati per consentire un'agevole migrazione allo scartamenti metrico e all'elettrificazione. I lavori iniziarono nell'inverno 1915-16. Gli addetti raggiunsero punte massime di 6000 uomini: 3900 civili, 600 militari e 1500 prigionieri, prevalentemente serbi e russi. Molti di questi ultimi perirono decimati da malattie e privazioni. Non mancò, soprattutto nel tratto terminale della linea, il contributo di numerose donne.

 
          La pendenza massima venne fissata nel 42 per mille, con punte del 46 per mille in alcuni brevi tratti rettilinei; raggio minimo di curvatura 60 metri; lunghezza 50,5 km; dislivello massimo 873 metri (fra Ora, altitudine slm m. 224 e San Lugano 1097 m). La linea comprendeva 6 gallerie, per uno sviluppo complessivo di 786 metri; 7 viadotti, per complessivi 307 metri; 8 ponti, per complessivi 168 metri circa; 217 passaggi a livello, per lo più pedonali e privati; 8 stazioni intermedie atte agli incroci (Ora Paese, Montagna, Doladizza, Pausa, San Lugano, Castello di Fiemme, Cavalese, Tesero); 6 fermate (Vill, Gleno, Fontanefredde, Masi di Cavalese, Panchià, Ziano).

        L'intero tratto venne attivato il 1. febbraio 1918. Fra le locomotive usate spiccavano 10 poderose ed eleganti Henschel & Son a doppia espansione sistema Mallet, potenza 600 cv, peso totale 53 tonnellate, velocità massima 40 km/h, rodiggio 1 C C C t. Il materiale rimorchiato era costituito da circa 200 carri merci, color grigio cenere, a due o tre assi e a carrelli, oltre ad alcune carrozze, con struttura in legno, adibite al trasporto viaggiatori. Terminata la guerra, dopo una breve interruzione, la gestione passò al genio militare italiano e, successivamente, alle Ferrovie dello Stato. Il primo treno italiano arrivò a Predazzo nel febbraio del 1919.

          La circolazione era regolata con le vie libere telegrafiche e poi telefoniche mentre non esistevano segnali fissi di protezione e partenza nelle stazioni; sui deviatoi dei binari di corsa furono installati i comuni dischetti di posizione. I tempi di percorrenza superavano le quattro ore. La gestione Ferrovie dello Stato cessò il 31 dicembre 1927 per passare alla FEVF, Ferrovia Elettrica Val di Fiemme, società appositamente costituita, che aveva ottenuto la concessione per la sistemazione, elettrificazione ed esercizio della Ora-Predazzo.

        Fu realizzata una linea a sospensione trasversale (data la non elevata velocità dei treni) sorretta da pali in cemento armato, nelle stazioni, e in legno di larice, in linea. All'alimentazione, in corrente continua a 2600 volt, provvedeva la sottostazione di San Lugano. Lo scartamento venne elevato a 1 metro. Il 28 ottobre 1929 si inaugurava l'elettrificazione. I tempi di percorrenza si riducevano a 2 ore e 15 minuti. Due Mallet  (la 6036 e la 6046) adattate allo scartamento metrico, saranno utilizzate saltuariamente in occasione di forti nevicate; le altre 8, dapprima accantonate ad Ora, furono poi cedute nel 1937-1938, unitamente alla 6046, alle Ferrovie Meridionali Sarde. Oltre alle due gloriose Mallet il materiale rotabile era quindi costituito da: