A lavori di costruzione già avviati, la concessione per l'esercizio della tranvia Novi Ligure - Ovada fu affidata alla neocostituita Società Anonima per la Ferrovia della Valle d'Orba (SAFVO) nel 1880. La linea entrò in esercizio il 2 ottobre 1881.
Costruita come tranvia a vapore a scartamento ordinario, la stessa aveva una lunghezza complessiva di 23,227 km, di cui 7 in sede propria. A Novi Ligure era presente un binario di raccordo lungo 400 m con la stazione della Rete Mediterranea (dal 1905 Ferrovie dello Stato) per l'inoltro dei carri merci in servizio cumulativo. Il percorso, che si snodava in prevalenza lungo la valle del fiume Orba, prevedeva 4 stazioni e 12 fermate facoltative, in alcuni casi relativamente distanti dagli omonimi centri abitati posti sulle colline.
Il 5 maggio 1887 fu inaugurata una diramazione a carattere ferroviario che da Basaluzzo raggiungeva la stazione di Frugarolo, in cui era presente un ulteriore interscambio con la Mediterranea. Anche la gestione di tale tratta fu affidata, con regio decreto 3763, alla SAFVO.
Negli anni seguenti la graduale soppressione delle tranvie provinciali non interessò la rete della valle d'Orba, grazie anche alla presenza di attività industriali raccordate che consentivano alla società esercente di ottenere bilanci positivi. Nel 1933, allo scopo di potenziale il trasporto pubblico sulla stessa, con la partecipazione della provincia di Alessandria e dell'ILVA venne costituita una nuova società denominata Società Ferroviaria Val d'Orba (FVO), con sede a Genova, cui fu affidato l'esercizio ed il rinnovamento della rete. Quest'ultimo fu attuato sostituendo lungo la tranvia le originarie rotaie da 22 kg/m con altre da 28 e 36 kg/m per un'estesa di circa 17 km.
Nel 1936 un ulteriore potenziamento dell'impianto consistette nell'allacciamento del capolinea sud, ubicato in piazza Castello, con la stazione FS di Ovada Nord, tramite un raccordo di circa 910 m utilizzato per l'inoltro delle merci che richiese la costruzione di un nuovo ponte sull'Orba.
La seconda guerra mondiale causò alla linea diversi danni, fra cui la perdita di 2 automotrici e dello scalo di Novi Ligure. Tuttavia le mutate condizioni economiche e la mancanza di investimenti che consentissero un reale rinnovo degli impianti portarono alla decisione di sopprimere il servizio, che fu attuata per fasi: nel 1948 cessò l'esercizio della diramazione per Frugarolo, mentre le corse tranviarie fra Novi Ligure ed Ovada terminarono nel 1953. L'esercizio passeggeri, effettuato da allora con autocorse, fu rilevato dalla Società Anonima Autotrasporti Alessandrina (SAA).
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