19 мая 1914 г. (по старому стилю) началось производство работ по постройке железной дороги от разъезда Дубовики (в настоящее время - Волховстрой-2) до Петрозаводска.
Дорога, связавшая административный центр Олонецкой губернии с российской столицей, была частной. Еще 28 февраля 1912 г. был утвержден «Устав общества Олонецкой железной дороги», а в апреле 1913 г. в г. Санкт-Петербурге начало свою деятельность правление акционерного общества дороги под председательством Владимира Адольфовича Нагродского.

Строительство железной дороги велось под руководством инженера путей сообщения Георгия Карловича Гонига. Дорога строилась в условиях начавшейся Первой мировой войны, вследствие чего ее строительство было признано стратегически важным и срок сдачи в эксплуатацию сокращен.

На дороге в течение полутора лет были построены 12 остановочных пунктов с пассажирскими платформами и вокзалами, 3 паровозных депо, 189 искусственных сооружений, в том числе 28 железных мостов через крупные реки, вдоль дороги проложен телеграф.

Временное движение на дороге было открыто в январе 1916 г. Со строительством дороги значительно улучшились снабжение продовольствием жителей Олонецкой губернии, ранее зависящее от сроков начала и окончания навигации по Онежскому озеру, и сбыт местного лесного материала.

Как самостоятельная дорога, линия Дубовики-Петрозаводск существовала недолго. В апреле 1917 г. Олонецкая железная дорога была выкуплена государством и присоединена к казенной Мурманской железной дороге.

В Национальном архиве Республики Карелия имеется фонд 772 «Правление акционерного общества Олонецкой железной дороги», в котором содержатся документы о строительстве и эксплуатации дороги.