El 18 de agosto de 1904, y tras varios acercamientos entre los gobiernos de ambos países, se promulga el Convenio franco-español para tres líneas que atravesarían la parte más abrupta de los Pirineos quedando comunicadas Francia y España por 5 enlaces internacionales:

- Los ya realizados de Irún-Hendaya en el Cantábrico y Port-Bou - Cerbère en el Mediterráneo.

- El Transpirenaico occidental, que discurriría en el eje Pau-Zaragoza y constaría de un túnel internacional que pasaría por Somport, a la vez que se realizaría una única estación internacional en les Forges d'Abel. el túnel sería para la vía de ancho ibérico.

- El Transpirenaico central, que dircurriría en el eje Saint Girons-Lleida, que constaría igualmente de un túnel internacional que pasaría bajo el puerto de Salau y una estación internacional cercana a la població de Isil en España, y el túnel sería para vía de ancho UIC.

- El Transpirenaico oriental, que discurriría en el eje Toulouse-Barcelona, no constaría de túnel internacional y se aprovecharía la llanura de la Cerdanya para montar dos estaciones internacionales en las cercanías de Puigcerdá y Bourg-Madame. Las dos estaciones internacionales compartirían ancho de vía.

El convenio redactaba una serie de previsiones técnicas que han condicionado en la actualidad la explotación de los transpirenaicos:

- Las pendientes no podrían exceder de 33 milésimas para tracción vapor y 43 milésimas para tracción eléctrica.

- En los túneles internacionales las pendientes no podrían exceder de 34 milésimas de pendiente.

- Los radios de curva en los tramos de tracción vapor no podrían se inferiores a 300 metros en la vertiente española, mientras en la francesa se bajaba a 260 metros.

- Los radios de curva en los tramos de tracción eléctrica no podrían ser inferiores a 230 metros en la vertiente española y 200 metros en la francesa.

Después de varios años preparando la puesta en escena, se comenzó por el Transpirenaico occidental, acordado entre las compañias Midi y Norte que presentaron los anteproyectos de la estación internacional en Les Forges d'Abel en 1909 y 1910. La cimentación de los terrenos era precaria y se cambió la explanación al lado español del túnel de Somport, así éste pasaría a albergar la vía UIC en vez de la de ancho ibérico. El túnel de Somport se comenzó a horadar en 1912 y se terminó en 1915, aunque la guerra mundial retrasó su puesta en marcha, que fue en un principio con material eléctrico en el lado francés y material a vapor en el español, continuando así hasta el cierre de la línea del valle del Aspe por culpa del hundimiento del puente de l'estanguet, que la SNCF no quiso reponer.

En el tratado había una cláusula en que se decía que en cuanto el tren llegara a Sort (transpirenaico central) por la vertiente española, se iniciarían las obras en ambos lados del Pirineo, cosa que nunca llegó a suceder, y el tren se quedó en Saint Girons en la parte Francesa mientras por la vertiente española no pasó nunca de La Pobla de Segur.

Pero en el lado oriental las obras comenzaron a buen ritmo entre la compañia de Midi y el Estado (español), aunque pronto se verían circunstancias extremas que harían más complicada la obra, y se alargaría en el tiempo (sobre todo en la vertiente francesa).

Por el lado español la obra comienza en 1911 en Ripoll, a una altitud de 680 metros, de allí, y desde la vía que unía Barcelona con San Juan de las Abadesas saldría el ramal Transpirenaico hacia Ax-les-Thermes por el valle del río Freser, con unas pendientes máximas de 14 a 24 milésimas. La línea sigue el curso del río Freser (afluente del Ter) durante 13 kilómetros hasta Ribas de Freser, atraesando para ello 11 túneles de pequeño tamaño (<300 m). El tren llegó a Ribas de Freser en 1919.

A partir de Ribas de Freser la línea cambia al valle del río Rigard, afluente del Freser, y comienzan las pendientes a aumentar, en principio 32 milésimas hasta la estación de Planolas, trayecto en el que se perforan otros once túneles, también de pequeño tamaño. Entre Planolas que se encuentra en el kilómetro 20 y el kilómetro 25 se tuvieron que construir diferentes obras de fábrica para sujetar la vía a las escarpadas laderas del valle, además de perforaron 9 túneles más. A pesar que la pendiente ya era superior a las 30 milésimas, el río subía más rápido de nivel que la vía del tren, por lo que, para ganar altura se tuvo que perforar un túnel helicoidal que le hizo ganar 35 metros de nivel en poco más de 1 km de desarrollo con curvas de 230 metros, es el túnel apodado "del cargol" por su forma espiral. A partir del túnel la pendiente se mantiene en 40 milésimas durante 2 kilómetros hasta llegar a Tosas y al túnel de Tosas.

El túnel de Tosas parte las vertientes sur (afluentes del ter) con la norte (afluentes del Segre). Es el número 36 de la línea y presentó grandes dificultades que hicieron que desde el comienzo se tuviera que revestir en su totalidad. El túnel tiene 3.904 metros y es el túnel de vía ibérica más alto de la península y también uno de los más largos. En el interior se llega a la cota más alta de la línea a 1494,2 metros. Al otro lado le esperan las laderas esquiables de La Molina y Alp, por cuyo valle comienza el descenso más pronunciado de la línea 41 milésimas. Trab bajar trepidantemente 300 metros en poco espacio, la línea se suaviza al dejar el abrupto valle del río Alp para serpentear por la ladera hasta Caixans, en dónde cruza el río Segre a una altitud de 1107,94 metros, comenzando de nuevo a subir de nivel para llegar a Puigcerdà en el año 1922 por un terreno llano que en la prehistoria fue un gran lago, por tanto tierra de aluvión. Terminan así los 48,5 kilómetros más difíciles de la vertiente española.

A la salida de Puigceredá la línea toma el valle del río Carol (o Aravó), afluente del Segre hasta Latour de Carol, dónde llega en 1929, antes que su homónimo francés, pero después del pequeño tren amarillo, de vía métrica, que llegó en 1925.

En 1922 se procede a la electrificación de la línea en su totalidad, mientras tanto la circulación se realizó en tracción vapor con locomotoras alquiladas a la compañía Norte, pero pronto se destinaron a la línea 8 locomotoras-ténder de rodaje 2-4-2 especialmente construídas para la línea por La Maquinista Terrestre y Marítima, aunque la circulación se vió bastante complicada debido a las fuertes rampas de la línea. De esta manera, cuando el transpirenaico francés llega a Latour de Carol, el español ya está totalmente electrificado, siendo la corriente elegida finalmente de 1,5 kV en ambas vertientes.

En 1925 se reubica la estación de Ripoll, que quedaba encajonada entre sus propias vías (aún se conserva el hermoso edificio neo-romántico) y el río Ter, pasándola al lado de la población y más cercana a la bifurcación del transpirenaico. La electrificación se termina en el año 1928 y durante ese mismo año el gobierno español quiso cambiar el ancho de la vía a UIC, pero la premura de tiempo hasta la exposición universal de 1929 que se estaba echando encima hizo desistir de un buen intento de homogeneizar totalmente el Transpirenaico oriental.

Hay que realizar la siguiente puntualización, el Estado estuvo desde el principio pensando en electrificar la línea a 3000 voltios y frenada por recuperación (como en las rampas de Pajares), pero al ver que por sus extremos la electrificación de Norte en la línea de San Juan y de Midi en la línea francesa era a 1500 voltios, repensó la idea y electrificó a 1500 voltios también, y se pasó del frenado de recuperación al de resistencias debido a las duras condiciones de las rampas de la línea.

Posteriormente, en los años 60 se vio factible la posibilidad del cambio de voltaje, subiendo a los 3000 voltios pensados de origen, cosa que ocurrió en toda la línea desde Barcelona a Latour de Carol.

La construcción de la vertiente francesa se explica en otro apartado.