Koleją zarządzało Towarzystwo Akcyjne Drogi Żelaznej Wąskotorowej Wilanowskiej. W celu ułatwienia wjazdu na skarpę na fragmencie linii z ulicy Belwederskiej na Plac Keksholmski dla cięższych pociągów towarowych, wykorzystano kolej zębatą z zębatką Abta i jednym parowozem firmy SLM Winterthur, co było jedynym wykorzystaniem tego mechanizmu na kolejach na ziemiach polskich pod polskim zarządem. Parowóz zębaty eksploatowano od września 1902 roku prawdopodobnie do uszkodzenia w pożarze warsztatów przy Belwederze w 1912 roku (starsze publikacje podawały, że do wywiezienia go przez cofające się wojska rosyjskie w 1915 roku).
W 1932 roku kolej wilanowską, grójecką i jabłonowską połączono pod wspólnym zarządem jako Warszawskie Koleje Dojazdowe. Kolej wilanowska została wówczas włączona do Kolei Grójeckiej. Pierwotnie rozstaw szyn wynosił 800 mm, w 1936 wymieniono na rozstaw 1000 mm. Po 1935 roku zlikwidowano odcinek miejski kolei powyżej Belwederu. W 1957 roku zamknięto ruch od stacji Belweder do stacji Wilanów. Infrastruktura po linii kolejowej została zlikwidowana w 1971 roku.
Pozostałością po linii są m.in.