Spürbaren Aufschwung gibt es, als ab 1866 die Eisenbahnlinie Euskirchen-Trier im Bau ist und dadurch vielen Männern Arbeit vermittelt wird. 1870 erreicht der Schienenstrang den Gebirgskamm, den "Schmidtheimer Berg". Hier entsteht der höchstgelegene Bahnhof der Eifel mit 554m. Nach beiden Seiten Richtung Jünkerath und Blankenheim-Wald weist die Strecke ein Gefälle/ eine Steigung von 120m Höhenmetern auf, die durch eine zweite Lokomotive, die schiebt bzw. bremst, bewältigt wird.

Im Verlauf der Entwicklung können durch größere und stärke Lokomotiven und weitere Erfindungen in Bezug auf die Bremsen die anfänglichen Schwierigkeiten stetig verbessert oder ganz beseitigt werden. Dabei stellt zu Beginn der Eisenbahnzeit das Bergabwärtsfahren das viel größere Problem dar. Bis die Druckluftbremse erfunden wird, müssen die Züge von Hand gebremst werden. Auf den Dächern verschiedener Waggons sitzen Bremser und bedienen nach Auftrag des Lokführers die Kurbel.

Das Bahnhofsgebäude wurde komplett mit schwarzem Naturschiefer verkleidet. Der 1870 erbaute mächtige Eisenbahndamm teilt den Ort in Unter- und Oberdorf.  Bei Ausbruch des Deutsch-Französischen Krieges 1870 werden die Truppen in Schmidtheim ausgeladen, um von hier weiter in Richtung Westen zu marschieren. Als die Soldaten 1871 aus Frankreich heimkehren, ist die Schienenverbindung auch aus Richtung Trier fertig. Bei den Berufstätigen fällt der Anteil der Bahnbediensteten ins Gewicht. Viele Männer benutzen die Schiene, um zu auswärtigen Arbeitsstätten zu fahren. Schmidtheim erobert sich eine gewisse zentrale Stelle für Handel und Gewerbe.

Von 1888 bis 1893 wird durch die Oberpostdirektion Koblenz am Urft-Weiher eine große Imprägnier Anlage für Telefon- und Strommasten eingerichtet; bis zu 7000 Masten jährlich werden am Bahnhof verladen. Die Imprägnier Anstalt ist mit dem Bahnhof durch eine Pferdebahn der Firma Müller aus Densborn an der Kyll verbunden. So erfolgt der Abtransport problemlos. Die Arbeiter verdienen täglich 2-3 Mark, für Geschäfts- und Wirtsleute eine goldene Zeit.

Mit der Veröffentlichung eines Eifelführers wird Schmidtheim bereits in der ersten Ausgabe 1889 als touristisches Wanderziel erwähnt.

Im August 1914 rollen Tag und Nacht Schnellzüge mit Kriegsmaterial und Soldaten durch Schmidtheim in Richtung Westen.

Am 11. November 1918, dem Tag des Waffenstillstandes, fluten die deutschen Truppen zurück. Die Franzosen, zu deren Besatzungsgebiet Schmidtheim gehört, übernehmen den Zugverkehr. Zu Hunderten hängen die heimwollenden Krieger an und auf den überfüllten Transportzügen. Hinter dem Bahnhof bauen die Engländer Anfang 1919 ihr Militärlager auf, das durchweg mit 4.000 französischen und russischen Kriegsgefangenen und etwa 200-300 Pferden belegt ist.  Auf der anderen Seite des Bahnhofswegs befindet sich eine britische Feldkirche, ein großes Zelt, das auch als Marketenderei benutzt wird. Anschließend an diese Kirche entstehen neben dem Bahnhofsweg feste Bretterschuppen, in denen Vorräte aufbewahrt werden.  Die gesamten Baukosten betragen 800.000 Mark. Im Herbst 1919 werden die Truppenlager wieder abgebaut und das Baumaterial und die Einrichtung waggonweise zur Reichsverrechnungsstelle nach Köln-Wahn gebracht.

1920 wird meist Reparationskohle nach Frankreich transportiert, oft mit zwei oder drei Lokomotiven in der Steigung den Schmidtheimer Berg hinauf.        

Seit März 1924 ist wieder regelmäßiger Eisenbahnbetrieb. Es halten 12 Züge, die Fahrkarten müssen mit Franken bezahlt werden. Mitte der 1930 Jahre wird die Holzbrücke am Bahnhof durch eine Eisenkonstruktion ersetzt. Ziel ist hauptsächlich die Vermeidung von problematischen Holztransporten durch die engen Dorfstraßen, um zum Sägewerk oder zum Bahnhof zu gelangen.

Für einen kleinen Unterwegs-Bahnhof zeigt ein Plan aus dem Jahr 1939 eine aufwendige Gleis- und Gebäudeanlage. Zusätzliche Gleise, eine Drehscheibe, ein kleiner Lokschuppen und andere notwendige Einrichtungen werden errichtet.

1945 wird die Eisenbahnbrücke in der Dorfmitte von deutschen Soldaten gesprengt. 1944 bis 1947 ist durch zerstörte Bahnbrücken kein Zugverkehr möglich. Da kaum Autos vorhanden sind, ist Schmidtheim von der Außenwelt abgeschnitten.                                                                                                                

Im Dezember 1947 rollen endlich wieder Züge. Die heutige Brücke wird in der Not der Nachkriegszeit als Betonbrücke wieder aufgebaut. Die offizielle Einweihung der Bahnlinie Köln-Trier durch eine englisch-deutsche Kommission findet im Frühjahr 1948 mit einem großen Festessen statt.        

Der Güterverkehr spielt in den 1950er Jahren eine große Rolle: Es werden Holz und Nebenprodukte, landwirtschaftliche Erzeugnisse, Dünger, Brennmaterial, Baustoffe verladen. Dafür gibt es mehrere Rangiergleise und eine Halle als Warenlager. Auch Waren des täglichen Bedarfs können aus der Großstadt Köln bequem per Expressgut geordert und beim Bahnhofspersonal abgeholt werden. Der Bahnhofsbetrieb wird von einem Bahnhofsvorstand geleitet, der in seiner Dienstwohnung direkt am Bahnhof logiert und daher ständig präsent ist. Neben dem Fahrkartenschalter und den Diensträumen einschließlich Stellwerkseinrichtungen befindet sich im Untergeschoss ein Warteraum, der zeitweise eine Bahnhofsgaststätte beherbergt.                       

Seit 1965 fahren keine schweren, durchgehenden Güterzüge mehr durch die Eifel. Die Drehscheibe wird ab-, die zweigleisige Hauptstrecke auf ein Gleis zurückgebaut. Der Güterverkehr mehr oder weniger eingestellt. 

Das Bahnhofsgebäude ist seit 2014 in Privatbesitz.

Durch die Flut im Juli 2021 ist die Bahnstrecke zwischen Köln und Trier stark beschädigt. Ein Schienenersatzverkehr zwischen Kall und Gerolstein mit Haltestellen an allen Bahnhöfen wird eingerichtet.

Die Wiederaufnahme und Elektrifizierung des Zugbetriebs sind für 2026 geplant.