A Empresa de Trens Urbanos de Porto Alegre S.A. foi criada em abril de 1980, através do Decreto nº 84.640, para implantar e operar uma linha de trens urbanos no Eixo Norte da Região Metropolitana de Porto Alegre, atendendo diretamente às populações dos municípios de Porto Alegre, Canoas, Esteio, Sapucaia do Sul, São Leopoldo e Novo Hamburgo.

Começou a ser idealizada a partir de 1976, através de estudos desenvolvidos pelo GEIPOT (Grupo Executivo de Integração da Políticas de Transportes da Empresa Brasileira de Planejamento de Transportes ), que justificou o projeto pela redução do fluxo de veículos na BR-116, já saturada à época, e pela oferta à população dos municípios mencionados de uma alternativa de transporte com baixo custo e com maior rapidez, segurança, conforto e capaz de absorver uma demanda inicialmente prevista na casa dos 300 mil passageiros por dia.

Entre 1980 e 1985, foram realizadas as obras de implantação do sistema. Em 1984, desembarcaram, em Porto Alegre, os 25 trens unidades elétricas, adquiridos do Japão. Em 2 de março de 1985, foi inaugurado em ato solene, o primeiro trecho, com 27 quilômetros de extensão e 15 estações, ligando Porto Alegre a Sapucaia do Sul e cruzando os municípios de Canoas e Esteio. Dois dias depois, o sistema metroviário abria definitivamente as suas portas à população com o início da operação comercial. . 

 Em 9 de dezembro de 1997, a Trensurb chegou à cidade de São Leopoldo, com a inauguração da Estação Unisinos, e, em 20 de novembro de 2000, foi aberta a Estação São Leopoldo. Em 3 de  julho de 2012, começaram a operar comercialmente mais duas estações: Rio dos Sinos, também em São Leopoldo, e Santo Afonso, em Novo Hamburgo. Em 8 de maio de 2014, iniciou-se a operação comercial em outras três estações no município hamburguense: Industrial, Fenac e Novo Hamburgo. Assim, a linha alcançou uma extensão de 43,8 quilômetros, um  momento histórico – que sinaliza o término do projeto inicial previsto para o metrô gaúcho desde a década de 1970 pelo antigo Grupo de Estudos para a Integração da Política de Transportes do governo federal. 

 Em janeiro de 2011, o metrô gaúcho ultrapassou a marca de um bilhão de passageiros transportados, representando uma economia de mais de R$ 2,2 bilhões para a sociedade. Atualmente, transporta uma média diária de aproximadamente 200 mil usuários por dia útil.

Até 2002, a Trensurb vinculava-se ao Ministério dos Transportes. Em 2003 passou a atender às orientações do Ministério das Cidades e, em 2019, integrou-se ao Ministério do Desenvolvimento Regional (fusão dos extintos ministérios da Integração Nacional e das Cidades). Anteriormente uma sociedade de economia mista, em 2018, a Trensurb teve alteração de sua natureza jurídica, passando a ser uma empresa pública.