Avant la création d'Amtrak par l'administration Nixon, aucun train de voyageurs ne parcourait la côte pacifique du nord au sud. Le service le plus proche avait été le "Côte Ouest" opéré par la Southern Pacific Transportation Company (SP) entre 1924 et 1949. Ce train reliait alors les villes de Los Angeles et Portland via la Vallée de San Joaquin.

En 1971, année de la création d'Amtrak, la SP exploitait 2 trains quotidiens entre Los Angeles et la baie de San Francisco : Le San Joaquin Daylight entre Los Angeles et Oakland et le Coast Daylight entre Los Angeles et San Francisco. La SP exploitait également le train Cascade roulant 3 fois par semaine entre Oakland et Portland.

Au départ, un seul train circulait sous le nom de The Coast Starlight entre San Diego et Seattle trois fois par semaine, sous les numéros 11/12. Les 4 autres jours de la semaine, un train portant les numéros 98/99 nommé The Coast Daylight circulait entre Los Angeles et Oakland, avant d'être prolongé le 14 novembre 1971 jusqu'à San Diego et renuméroté 12/13[1]. Le service a été suspendu entre Los Angeles et San Diego en avril 1972 à la suite de la création du San Diegan[2]. À la suite d'une expérimentation concluante durant l'été 1973, où Amtrak avait fusionné le Coast Starlight et le Coast Daylight, Amtrak abandonna le Coast Daylight le 19 mai 1974[2],[3].

À l'origine le Coast Starlight utilisait la ligne de la SP entre Tehama et Davis, cet itinéraire permettant le contournement de Sacramento[4]. Cependant, en 1982, à la suite d'une demande de l'état de Californie, le train fut déplacé sur une autre ligne de la SP permettant l'ajout d'un arrêt à Sacramento, Chico et Marysville[5],[6],[7]. Ce dernier sera cependant fermé en 1999 pour permettre un trajet plus direct au nord de Sacramento[8].

Le nombre de voyageurs, en constante augmentation depuis la création du train, a diminué de 26% entre 1999 et 2005 à cause d'opérations d'entretien des voies menées par l'Union Pacific et de la saturation des voies causée par le trafic de marchandises. La ponctualité du train est descendue jusqu'à 2%[9]. Au milieu de l'été 2006, des retards allant de 5 à 11 heures étaient réguliers. Pour pallier ce problème, Amtrak a relancé le Coast Starlight avec des voitures rénovées. Les conditions d'exploitation de l'UP se sont aussi améliorées, permettant une ponctualité de 86% en mai 2008[10]. Ces améliorations ont permis une augmentation du nombre de passagers de 15% entre 2008 et 2009.

En 2017, à la suite d'un déraillement d'un train de marchandise près du Mont Shasta en Californie, le service du Coast Starlight fut suspendu au nord de Sacramento pendant un mois[11].

Le plan ferroviaire 2018 du département des transports de l'État de Californie prévoit un certain nombre d'améliorations de l'infrastructure ferroviaire. Ces propositions comprennent un plan à court terme pour créer 2 nouveaux arrêts pour le Coast Starlight à Soledad et à King City[12]. Il existe une proposition pour améliorer la section partagée avec le Capitol Corridor entre Oakland et Martinez[13]. Cette proposition ré-acheminerait le train venant de la côte vers un nouveau tunnel à travers la ville de Franklin Canyon et vers une emprise juste à côté de la route californienne 4 (en), ce qui réduirait le temps de trajet de plusieurs minutes.