Еще в 1892 году в качестве государственной инициативы было предложено строительство дополнительной ветки от станции Каган Центральноазиатской железной дороги до Термеза через Карши, Керки и Келиф. Она была бы полезна как стратегически, так и экономически, позволяя России быстро перебрасывать крупные военные силы к афганской границе и способствуя продвижению производства хлопка и русской торговли в бекстве Ширабад. В 1898 году в рамках частного предприятия, имевшего чисто экономическое значение, было предложено строительство более короткой ветки от Новой Бухары до Карши. На рубеже веков, в период обострения русско-английской напряженности по поводу Дальнего Востока, вопрос о строительстве железной дороги до Термеза встал снова. В 1904 году, когда Россия, уже находившаяся в состоянии войны с Японией, оказалась перед лицом возможного столкновения с ее союзницей Британией, было предпринято краткое рассмотрение проекта этой дороги. Все русские власти в Бухаре в начале XX века выступали за строительство железной дороги до Термеза. После того как англо-русское соглашение 1907 года сняло стратегическую потребность в такой линии, 10 апреля 1910 года Совет министров принял решение одобрить строительство этой железной дороги силами частного русского капитала. В августе следующего года инженер А.Н. Ковалевский при поддержке Русско-Азиатского банка получил разрешение от русского правительства на проведение изысканий для строительства железной дороги до Термеза с веткой от Карши в Китаб через Гиссар. В 1912 году планы Ковалевского были предварительно одобрены Россией и Бухарой, и эмир согласился передать 6000 десятин пустующих земель для прокладки полотна и строительства необходимых железнодорожных сооружений. 13 мая 1913 года кушбеги официально известил политического агента о согласии эмира в письме, где выражалась заинтересованность в строительстве новой железной дороги, что разительно отличалось от недовольства, которое он высказывал три десятилетия тому назад по поводу прокладки Центральноазиатской железной дороги. За это время правители Бухары хорошо поняли ценность современных транспортных средств для экономического прогресса и, как следствие, увеличения правительственных доходов. Сам эмир активно участвовал в торговле как хлопком, так и каракулем и стал главным акционером новой железной дороги.
13 июля 1913 года Россия предоставила соответствующие разрешения Бухарской железнодорожной компании, которой Ковалевский передал свою концессию, полученную от эмира в 1912 году. Компания должна была владеть дорогой в течение 81 года с момента открытия, после чего контроль над ней безвозмездно передавался русскому правительству. Россия выступала гарантом облигаций компании, притом что четверть этих гарантий предоставлял эмир. Несмотря на трудности найти нужное количество местных рабочих на низкую зарплату, которую платила компания, по настоянию русских властей строительство было завершено на год раньше намеченного срока, в июле 1916 года. Отчасти это удалось сделать за счет использования труда австро-венгерских военнопленных. В руководстве строительством важную роль сыграли американские инженеры, получившие для этого от России специальное разрешение на пребывание в Бухаре. Большая часть дороги заработала как раз вовремя, чтобы в 1915 году помочь доставить урожай хлопка из Центральной Бухары на российский рынок. После открытия железной дороги Самарканд – Термез почтовая дорога пришла в запустение.