La construction du Grand Trunk Railway of Canada (GTR) a pour objectif de fournir une ligne principale « s'étendant sur toute la longueur de la province du Canada, et de la frontière est ... jusqu'à Halifax et à son port ». Sous l'égide de sir Francis Hincks, on le constitue officiellement en société en 1852 pour construire un chemin de fer de Toronto à Montréal. En 1853, le GTR fusionne avec cinq autres compagnies de chemin de fer, une méthode d'exploitation qui allait caractériser ses périodes importantes d'expansion et favoriser la construction de nouvelles voies ferrées. On doit recueillir une grande partie du financement en Angleterre, et l'entreprise anglaise de construction Peto, Brassey, Jackson and Betts obtient le contrat pour construire la section de Montréal à Toronto en acceptant en retour de promouvoir la compagnie de chemin de fer. Gzowski & Company obtient le contrat pour la section de Toronto à Sarnia. Brassey soutient que sa compagnie a accusé de lourdes pertes, alors que Casimir Gzowski, qui connaît mieux les conditions canadiennes, fait fortune. Les ennemis de Hincks soutiennent que lui aussi a fait fortune, aux dépens de la compagnie de chemin de fer.

Les travaux se poursuivent sans relâche de ville en ville. Des terrassiers venus d'Angleterre augmentent l'effectif des travailleurs. À un moment, 14 000 hommes et 2000 chevaux sont à l'oeuvre dans l'Ouest canadien uniquement. La construction de la ligne ne comporte pas les mêmes défis que ceux rencontrés lors de la construction du Canadien pacifique (CP) dans les montagnes, mais elle donne au moins lieu à l'exploit technique remarquable qu'est la construction d'un pont tubulaire, le pont Victoria, qui traverse le Saint-Laurent à Montréal. La tubulure en fer de 2009 m repose sur deux appuis extrêmes et 24 piles conçues pour résister à la pression des glaces. Le pont est ouvert à la circulation en décembre 1859. Malgré des difficultés financières, le GTR connaît une expansion régulière, louant souvent des chemins de fer existants pour assurer son expansion. Il élimine son principal concurrent et ajoute 1450 km de lignes avec la prise de contrôle du Great Western Railway en 1882. On rajoute des liaisons au réseau ferroviaire américain grâce à la construction du pont International sur la rivière Niagara et du tunnel Sainte-Claire sous la rivière du même nom. Au moment de la Confédération, le GTR est le plus grand réseau ferroviaire au monde, avec 2055 km de voies. À la fin des années 1880, il s'est encore agrandi avec plus de 700 locomotives, 578 wagons, 60 wagons postaux, 131 wagons à bagages, 18 000 wagons de marchandises et 49 chasse-neige. Le GTR s'étend de façon continue de Sarnia à Portland, dans le Maine.

Le coût de sa construction, sa direction à distance (le siège social est à Londres en Angleterre) et son incapacité à atteindre les niveaux de trafic escomptés laissent la compagnie criblée de dettes et incapable d'améliorer son équipement. Plusieurs accidents lui font une mauvaise publicité. Le 29 juin 1864, un de ses trains tombe du pont de Beloeil et plonge dans la rivière Richelieu, faisant 99 victimes. Un autre incident fait les manchettes partout dans le monde lorsque, le 15 septembre 1885, Jumbo, le célèbre éléphant de cirque, charge un train du GTR près de St. Thomas, en Ontario, et en meurt. À partir du milieu des années 1890 jusqu'à la Première Guerre mondiale, le GTR entreprend un programme important d'améliorations de ses propriétés. Cela comprend le doublement des voies de la ligne principale de Montréal à Sarnia, la réduction des courbes et des déclivités pour améliorer l'efficacité de l'exploitation, et la reconstruction de ponts, d'immeubles et de cours de triage. Par la suite, le réseau n'aura besoin d'être refait qu'après la Deuxième Guerre mondiale.

Jaloux de la percée du CP dans l'Ouest, le GTR crée une filiale, le Grand Trunk Pacific, pour construire une ligne transcontinentale. Terminé en 1914, ce chemin de fer est un désastre financier et est en grande partie responsable de la faillite du GTR en 1919. Le gouvernement fédéral, qui a déjà accordé au GTR quelque 28 millions de dollars sous forme de subventions et de prêts, se porte acquéreur du chemin de fer le 10 octobre 1919 et le place sous la direction des chemins de fer nationaux du Canada le 30 janvier 1923.