Lemvigbanen blev anlagt og oprindeligt drevet af de to selskaber Vemb-Lemvig Jernbane (VLJ) og Lemvig-Thyborøn Jernbane (LTJ), som 16. august 1921 blev sluttet sammen til Vemb-Lemvig-Thyborøn Jernbane (VLTJ). Lemvigbanen drives nu af Midtjyske Jernbaner.
I 1874 blev regeringen bemyndiget til at meddele eneret på en jernbane fra Vemb til Lemvig eller Lemvig Havn. Koncessionen blev udstedt 7. juli samme år, og strækningen blev åbnet i 1879. I den tyndt befolkede egn skulle banen være så billig som muligt, så det blev den første danske jernbane, der var ubevogtet og uindhegnet. I starten deltog stationsforstanderne ikke i banens sikkerhedstjeneste, for de skulle også være kromænd og have forskellige småjobs for at leve af det.
Lemvig Station blev lagt oppe på bakken uden for byen, da det ville koste 80.000 kr. ekstra at føre banen ned til bymidten og havnen. Der opstod dog hurtigt behov for en havnebane til godstrafik. Den kostede 81.600 kr. og stod færdig 1. september 1892. For at forcere den stejle skrænt ned til havnen måtte togene rebroussere undervejs. Rebroussementet blev forlænget i 1904, fordi togene blev længere.
Den store jernbanelov fra 1894 indeholdt "en jernbane fra Lemvig Havn over Lemvig Station og Harboøre til Thyborøn Kanal". Strækningen fra Lemvig Havn til Lemvig Station fandtes jo allerede som Lemvig Havnebane, og det nye selskab LTJ købte den af VLJ. Strækningen Lemvig-Thyborøn blev åbnet i 1899, i første omgang kun til Harboøre og senere på året helt til Thyborøn Havn. Det sidste stykke mellem Thyborøn Station og Thyborøn Havn blev kun brugt til godstrafik indtil 1924, hvor der blev indviet en ny endestation på havnen.
Mellem Langerhuse og Thyborøn blev banen oprindeligt anlagt på den lave strandeng, hvor den var udsat for oversvømmelse fra Nissum Bredning. I sommeren 1921 blev sporet hævet 1 meter ved at komme op på en dæmning ved siden af det gamle tracé. I 1955 blev strækningen flyttet ca. 2 km mod øst og kom sammen med landevejen op på det nye havdige, der stod færdigt i 1957. Det betød at trinbrættet Langerhuse og Knopper Station blev nedlagt; til gengæld opstod den nye station Rønland ved Cheminova.
I 2005 undersøgte Lemvigbanen, om man kunne etablere et demonstrationsprojekt med brint- og brændselscelle-drevne tog, hvilket kunne have gjort VLTJ til indehaver af Europas første kommercielle, brintdrevne togrute. Det blev dog ikke til noget. I stedet er Lemvigbanen nu (2016) den sidste danske privatbane, der stadig har de traditionelle Y-tog i drift. Lemvigbanen (Midtjyske Jernbaner) oplyser, at man er på udkig efter nye tog, der skal sættes i drift i 2020.
