Már az 1920-as, 1930-as években több ötlet született arra, hogy vasúttal tegyék jobban elérhetővé a budai hegyeket, de a megvalósítás váratott magára. A második világháború utáni újjáépítés során vetődött fel, hogy olyan kisvasutat építsenek, amelyet a gyermekek működtetnek. Az ötlet ellenzői kételkedtek abban, hogy iskolások képesek lennének felelősségteljesen ellátni a szolgálatot, velük szemben érvként azt hozták fel, hogy a Szovjetunióban és Jugoszláviában már működött hasonló kisvasút. Helyszínként szóba jött Gödöllő, a Margitsziget, a Népliget, de végül – a nehéz terepviszonyok ellenére is – a látványosabb budai hegyek mellett döntöttek. Ebben szerepe volt annak is, hogy itt épült a Csillebérci Úttörőtábor, amely akkor más tömegközlekedési eszközzel nem volt elérhető.
A nyomvonal északi végpontjának Zugligetet tervezték, egy szárnyvonallal a mai Szépjuhászné és Budakeszi között. A szintkülönbség azonban túl nagynak bizonyult, így a végállomás a távolabbi Hűvösvölgy lett, a pálya a fogaskerekű Széchenyi-hegyi végállomását és a hűvösvölgyi villamosvégállomást köti össze. A nyomvonal tervezésénél az erdők kímélése mellett hangsúlyt kapott az is, hogy a kisvasút közelítse meg a fontosabb kirándulóhelyeket: a Széchenyi-kilátót, a János-hegyet, a Normafa-lejtőt, Makkosmáriát, a Hárs-hegyi kilátót, közben az utasok előtt táruljon fel Budapest panorámája. A döntést az úttörőmozgalom lapja, a Pajtás közölte az 1848. március 15-i forradalom centenáriumán megjelent ünnepi számában.
A vonal a budai hegyvidék középső részének erdeiben észak-déli irányban kanyarog, a 231 méter magasan fekvő Hűvösvölgy és a 466 méteres Széchenyi-hegy között 235 méter szintkülönbséget győz le, ez átlagosan 2,1 százalékos emelkedőt jelent. A Kis-Hárshegy alatt 198 méter hosszú alagút épült, amely ugyan nélkülözhető lett volna, de úgy gondolták, egy hegyi kisvasút nem az igazi alagút nélkül, a Budakeszi út fölött 12 méteres, a Nagykovácsi út fölött 29 méteres híd készült. A 760 mm-es, keskeny-nyomtávú vasutat Ertl Róbert tervezte, az állomásépületek Fodor Jenő tervei szerint épültek. A vasúti kocsik egy része az Úttörővasút számára készült, további járműveket más kisvasutakról irányítottak át. A szerelvényeket kezdetben gőzmozdonyok húzták, ezeket később dízelmozdonyok váltották fel.