Già intorno al 1850 erano stati costituiti i comitati promotori della costruzione di una linea ferroviaria da Cuneo a Bastia, passando per Mondovì. Quest'ultima era stata ripetutamente richiesta dal Consiglio Provinciale di Cuneo disposto a dare il suo contributo unitamente ai comuni interessati, ma non riuscirono a realizzarsi le condizioni economiche imposte dal Ministero dei Lavori Pubblici.

Si dovrà attendere il Regio Decreto del 20 agosto 1873 che approvò la concessione al Comune di Mondovì per la costruzione e l'esercizio del solo tratto di ferrovia Mondovì-Bastia. La suddetta concessione si riferiva a un progetto di massima redatto nel 1872 dall'Ing. Vincenzo Soldati, che prevedeva l'ubicazione della stazione terminale all'innesto della linea con la Savona-Ceva-Bra, presso Bastia.

In un primo momento, si riscontrarono notevoli difficoltà per la stazione terminale nel punto previsto dal progetto, a causa della forte pendenza della linea proveniente da Savona (12 per mille). Motivo per cui si ritenne opportuno attestare la linea proveniente da Mondovì a Carrù, con la conseguenza di un percorso comune delle due ferrovie, lungo 4,5 chilometri.

Tutto ciò a condizione che la fermata di Val d'Ellero, prevista sulla linea di Mondovì, fosse trasformata in stazione, compensando così la mancata costruzione di una stazione a Bastia. Le cose andarono poi diversamente e la stazione di attestamento fu comunque costruita presso quest'ultima località.

Ciò non impedì, comunque, la realizzazione di un breve raccordo curvilineo staccantesi dalla linea di Mondovì, a circa 1,2 chilometri prima della stazione di Bastia (bivio Ellero), per consentire l'istradamento dei treni da Mondovì verso Bra ed evitare così l'inversione della direzione di marcia a Bastia.

I lavori di costruzione della ferrovia iniziarono nel mese di gennaio 1874. Benché ostacolati dalle lunghe pratiche espropriative dei terreni e anche dai lavori causati dalle piene del torrente Ellero, saranno ultimati alla fine del mese di ottobre 1875. Con apposito decreto venne autorizzata l'apertura della linea all'esercizio, avvenuta il 15 novembre dello stesso anno.

Grazie a questo breve tratto di ferrovia, Mondovì poté essere collegata direttamente a Torino per mezzo della linea Savona-Ceva-Bra-Cavallermaggiore-Carmagnola (non esisteva ancora la tratta Bra-Carmagnola che entrerà in funzione solo il 7 aprile 1884). Furono così subito previsti due treni in partenza da Mondovì e tre da Torino.

L'intero percorso da Cuneo Gesso a Bastia, operativo dal 18 febbraio 1888, costituirà invece l'unica possibilità per Cuneo di essere collegata al litorale savonese fino all'attivazione, il 28 ottobre 1933, della Fossano-Mondovì-Ceva.

I treni che, più di recente, percorrevano la Mondovì-Bastia effettuavano il servizio Cuneo-Bastia e viceversa ma, nel passato, sono anche esistite delle corse riguardanti esclusivamente la tratta medesima. Si era anche ipotizzata l'elettrificazione dell'intera linea Cuneo-Bastia al fine di creare un collegamento Cuneo-Savona più veloce, evitando di passare da Fossano oppure il trasbordo a Mondovì.

Considerato il suo passivo annuo di quasi 5 miliardi di lire, la Mondovì-Bastia fu chiusa al traffico il 31 dicembre 1985, insieme all'Airasca-Saluzzo. La formale soppressione dei servizi viaggiatori e merci, per entrambe le linee, avvenne con D.M. 73/T del 15 aprile 1987. Tuttavia, nel 1996 vi fu la necessità di provvedere alla bonifica di ventitre carrozze accantonate nelle stazioni di Carrù-Clavesana e Bastia della linea Bra-Ceva, interrotta in seguito all'alluvione del novembre 1994. Fu intrapreso il taglio della vegetazione cresciuta lungo il binario e, dopo una ricognizione avvenuta l'11 aprile, il giorno 16 le carrozze furono prima concentrate a Bastia e quindi trasferite, con tre tradotte successive, alla stazione di Mondovì Altipiano da dove proseguirono per le officine "Magliola" di Santhià, incaricate della decoibentazione.

Si era valutata la possibilità di riattivare il tratto Mondovì Altipiano-Mondovì Breo onde attestare su quest'ultima stazione i treni da e per Cuneo, in un contesto di trasporto urbano che avrebbe coinvolto la ripristinata funicolare Breo-Piazza. Altra idea è stata quella di un progetto di recupero di parte del sedime ferroviario per un collegamento turistico, a mezzo di trenino su gomma, fra il centro commerciale "Mondovicino" e la città di Mondovì.

Allo stato attuale, la linea risulta parzialmente disarmata.   

In origine, il tracciato della ferrovia Mondovì-Bastia, lungo 9,60 chilometri, aveva inizio alla stazione di Mondovì Breo, non esistendo ancora quella di Mondovì Altipiano che sarà realizzata solo con la costruzione della ferrovia Fossano-Mondovì-Ceva nel 1933. Il breve tratto compreso fra la futura stazione di Mondovì Altipiano e quella di Mondovì Breo costituiva, pertanto, l'ultimo spezzone del secondo lotto (Roccadebaldi-Mondovì Breo, aperto al traffico il 18 febbraio 1888) della linea Cuneo Gesso-Mondovì Breo. La progressiva chilometrica di questo tratto, infatti, decorre dalla stazione di Cuneo Gesso, mentre per il tratto Mondovì Breo-Bastia la progressiva decorre, al contrario, dall'innesto con la linea Bra-Ceva e termina alla stazione di Mondovì Breo. Ne consegue che la lunghezza totale della linea fra Mondovì Altipiano e Bastia sia di 11,85 chilometri.

Da Mondovì Altipiano (progr. 23+793 da Cuneo Gesso; alt. circa 414 s.l.m.) la ferrovia scende decisamente di quota fino a portarsi a livello del quartiere storico di Breo, dopo il passaggio sotto la città moderna per mezzo di una galleria in curva lunga 1.117,14 metri. Quest'ultima rallentò di parecchio i lavori di completamento della linea Cuneo Gesso-Mondovì Breo in quanto si dovettero superare grandi difficoltà nella sua perforazione in presenza di terreno tufaceo acquitrinoso. Oltrepassata la stazione di Mondovì Breo (progr. 26+052 da Cuneo Gesso; 8+784 da Bastia; alt. circa 391 s.l.m.), il cui fabbricato viaggiatori è stato ristrutturato e ospita alcune attività commerciali, il binario passa subito sotto un cavalcavia, imbocca altre tre brevi gallerie (fra la prima e la seconda passa sotto l'imponente viadotto ferroviario della linea a doppio binario Torino-Fossano-Savona) e costeggia poi il torrente Ellero.

Non è dato sapere per quanto tempo sia stata attiva la fermata di Val d'Ellero (progr. 1+582 da Bastia), una casa cantoniera sita poco prima di Bastia, di cui si è detto sopra.

Passata sotto l'autostrada A6 Torino-Savona, la ferrovia attraversa due volte il medesimo torrente fino a giungere all'innesto con la linea elettrificata Bra-Ceva. Un ulteriore attraversamento dell'Ellero, in prossimità della sua foce nel Tanaro, conduce al capolinea Bastia. Questa stazione faceva parte della suddetta linea Bra-Ceva, gravemente danneggiata dall'alluvione del 1994, non più ripristinata e smantellata fra le stazioni di Narzole e Ceva.

Con una pendenza media e massima rispettivamente dell'11,4 e 14 per mille e uno sviluppo dei tratti in curva del 70%, questa ferrovia è costituita da un binario a scartamento normale e non è elettrificata.

In origine, il peso assiale massimo consentito corrispondeva a 15 tonnellate, mentre la velocità massima era di 60 Km/h per i mezzi a vapore e di 70 Km/h per quelli leggeri.