Siden åbningen af Fehmarnsund-broen og Rødby-Puttgarden færgeruten i 1963 – den såkaldte "Fugleflugtslinje" – har folk spekuleret på, hvordan vej- og jernbanenettet kunne gøres mere effektivt mellem Skandinavien, Tyskland og resten af Europa. Det var dog først i 1991, at projektet blev  mere konkret, da Danmark og Sverige planlagde en fast forbindelse over Øresund. I lyset heraf så regeringerne i Danmark og Tyskland den faste forbindelse over Femern Bælt som et mål, der skulle forfølges. I 1992 blev man enige om at indlede de første omfattende undersøgelser af en fast forbindelse over Femern Bælt.

Fra 1995 til 1999 blev en række undersøgelser gennemført af tekniske og finansielle muligheder, socioøkonomiske og regionale effekter, overordnede økonomiske evalueringer samt af trafikprognoser og miljømæssige påvirkninger ved en fast forbindelse over Femern Bælt. For at kick-starte interessen hos private finansielle investorer blev der afholdt en interessetilkendegivelsesrunde i 2001/2002 baseret på disse undersøgelser.

Fra 2002 til 2005 fremhævede yderligere undersøgelser de overordnede økonomiske fordele, regionale effekter, trafikudviklingen og finansielle modeller ved projektet. I juni 2005 blev de danske og tyske regeringer på baggrund af disse undersøgelser enige om, at en skråstagsbro er den foretrukne tekniske løsning, og at en sænketunnel er det foretrukne alternativ.

I årene 2005 og 2006 blev en miljøkonsultationsproces gennemført, hvor myndigheder, interesseorganisationer og offentligheden kommenterede de miljømæssige aspekter, som allerede var blevet undersøgt.

I juni 2007 underskrev transportministrene i Danmark og Tyskland en formel hensigtserklæring, som banede vejen for en juridisk bindende statstraktat mellem de to lande angående planlægning, konstruktion og drift af Femern Bælt-forbindelsen.

Den 3. september 2008 underskrev transportministrene i Danmark og Tyskland statstraktaten om den faste forbindelse over Femern Bælt. Statstraktaten foreskriver en to-sporet jernbaneforbindelse og en firesporet motorvej mellem Rødby og Puttgarden.

Den 26. marts 2009 godkendte Folketinget med et stort flertal en projekteringslov, som tillader planlægningen af en fast kyst-til-kyst-forbindelse samt landanlæg i Danmark. Herved blev statstraktaten af 3. september 2008 ratificeret i Danmark. Projekteringsloven muliggør omfattende undersøgelser inden for miljø, sejladssikkerhed og geoteknologi for kyst-til-kyst-forbindelsen såvel som for landanlæggene. Efter projekteringen er tilendebragt, forventes det, at en anlægslov kan fremsættes i 2012.

I Tyskland blev loven, som ratificerer statstraktaten, godkendt af den tyske Bundestag den 18. juni 2009. Den 10. juli 2009 godkendte det tyske Bundesrat ligeledes loven, som efterfølgende trådte i kraft den 24. juli 2009.