Nach ersten Planungen im Jahr 1873 wurde 1888-90 die Heidelberger Bergbahn als Standseilbahn mit Zahnstangenbremse im Wasserballastantrieb fertig gestellt. Verantwortliche Ingenieure waren der Schweizer Nikolaus Riggenbach, der das von ihm neu entwickelte Zahnradsystem – nach der Rigi-Bahn – ein zweites Mal in Heidelberg verwirklicht sehen wollte, und der Amerikaner Eppelsheimer, dessen Seilbahnsystem Riggenbach in die Heidelberger Planung integrierte.
1905-07 wurde die Bergbahn durch eine obere Teilstrecke zum Königstuhl beträchtlich erweitert. Die neue Standseilbahn wurde von vornherein elektrifiziert. Die veränderte Antriebstechnik gab Anlass 1907 auch die untere Teilstrecke von Wasser- und Elektrobetrieb umzustellen.
Die Kombination von Zahnrad- und Drahtseilsystem für die untere Bergbahn, eine der ersten in Deutschland überhaupt, geht auf eine individuelle Entwicklung von Riggenbach und Eppelsheimer zurück. 1907 konnte bei der weiterentwickelten oberen Standseilbahn durch Anwendung damals neuer Bremseneinrichtungen in den Wagen auf den Einbau einer Zahnstange verzichtet werden. Die Heidelberger Bergbahn stellt heute die älteste und – bis auf die jüngere Stuttgarter Waldfriedhofbahn – einzige in ihrer bauzeitlichen Technik erhaltene und funktionstüchtige Standseilbahn in Baden-Württemberg dar. Für die Technikgeschichte Südwestdeutschlands kommt ihr eine hohe wissenschaftliche Bedeutung zu.
Parallel zu den technischen Neuerungen wurden 1906/07 die überdachten Wagenhallen sowie die Stationsgebäude auf der Molkenkur (mit Wohnungen für die Maschinisten) und auf dem Königstuhl neu errichtet.
1961-62 wurde die untere Bergbahn durch eine neue Bahn ersetzt. Sie folgt dem alten Trassenverlauf, dessen Tunnel unverändert erhalten blieben. Es wurde der Streckenabschnitt zwischen der Talstation Kornmarkt und der Station Molkenkur modernisiert, die Wagen der unteren Bahn wurden durch größere, vollautomatisch gesteuerte Wagen ausgetauscht. Es wurden eine neue Maschinenanlage und neue Stationsgebäude im Kornmarkt und am Schloss in Sicht- und Waschbeton gebaut. Die dann wieder eröffnete Bergbahn verkehrte als reine Standseilbahn; auf den Zahnradbetrieb wurde verzichtet.
In enger Nachbarschaft zur alten Bergbahn verdeutlicht sie den technischen Fortschritt innerhalb von 50 Jahren. Die Stadtseilbahn des oberen Abschnitts hat sich in ihrem Originalbestand von 1907 erhalten und ist bis heute in Betrieb.
Im Jahr 1997 wurden Modernisierungsarbeiten an beiden Bergbahnstrecken durchgeführt. Die oftmals vereisten Oberleitungen wurden entfernt. Die Wagen tanken nun an jeder Station Strom, der für die jeweilige Fahrt zur nächsten Station ausreicht. Dort greift ein Stromabnehmer die Energie ab und speichert sie.
2004 bis 2005 folgten Sanierung und Umbau der Heidelberger Bergbahn. Der elektromechanische Teil der Anlage wurde komplett erneuert und dem heutigen Stand der Technik angepasst. Es kommt zu einem Teilabriss und Neubau der Stationen Kornmarkt und Schloss. Die denkmalgeschützten Stationen Molkenkur und Königstuhl bleiben erhalten und werden renoviert.