Sträckan Skoghall-Karlstad-Hagfors-Filipstad invigdes år 1877. Det är en smalspårig (891 millimeter) järnväg. Den byggdes och drevs av Uddeholmsbolaget. Att förkortningen blev NKLJ istället för den mer naturliga NKJ berodde på att den senare redan var upptagen av Nora-Karlskoga Järnväg då NKLJ bildades 1880. Bolagets administrations- och stationshus byggdes efter arkitekt Ragnar Östbergs ritningar.
Persontrafiken lades ner november 1964 och sista godståget gick i oktober 1990. Banan är idag helt riven, förutom sträckorna Stjärnsfors-Hagfors som används för dressinåkning, och Karlstad-Skoghall som är ombyggd till normalspår och trafikeras av godståg till Skoghalls bruk. Ett industri och järnvägsmuseum finns i Hagfors och tankar på att utnyttja den kvarvarande bansträckan till Stjärnsfors som museijärnväg har länge funnits. Ett flertal fordon från järnvägen finns bevarade både på museet i Hagfors och på andra museijärnvägar runt om i Sverige. Banvallen mellan Karlstad och Uddeholm har gjorts om till en nio mil lång cykelled, Klarälvsbanan.