Desde febrero de 1929 se realizaron estudios y anteproyectos para salvar el rio Esla por Los Cabriles. En enero de 1932 Francisco Martín Gil presenta un nuevo proyecto que será el definitivo, con un arco de hormigón de 210 metros de luz y 60 metros de flecha.
El 1 de octubre de 1934 comienzan oficialmente las obras, contratadas al ingeniero belga Maximilian Jacobson. En enero de 1935, César Villalba revisó el proyecto que sería aprobado ese mismo mes, aumentándose el presupuesto para las obras. Antonio Salazar fue el ingeniero Jefe designado para la supervisión de la construcción del tramo Zamora-Puebla de Sanabria, la propia estación de Zamora y el viaducto Martín Gil.
El 18 de julio de 1936 comienza la Guerra Civil. Para entonces están construidos los salmeres, donde apoyarán los extremos del arco, y parte de los viaductos de acceso. A comienzos de 1937 se ralentizan los trabajos. A partir de este momento la empresa contratista deja paso a la gestión directa de la obra por parte de la Administración. Ante los problemas ocurridos con la cimbra de madera que debía soportar el hormigonado del arco, el ingeniero Eduardo Torroja propuso una cercha metálica que se convertiría en la estructura de hormigón del arco. Entre 1939 y 1940 se monta la autocimbra. En el verano de 1940 comienza a hormigonarse el gran arco y en octubre de 1942 se termina, convirtiéndose en el de mayor luz del mundo de entre los puentes de hormigón. En abril de 1943 se inaugura oficialmente, aunque no es hasta el 24 de septiembre de 1952 cuando se pone en servicio el tramo completo de Zamora-Puebla de Sanabria.
Durante la construcción del viaducto intervinieron los ingenieros de caminos Antonio Salazar Martínez, César Villalba Granda, Francisco Castellón Ortega y Maximilian Jacobson. Otros ingenieros que también participaron como asesores, fueron Alfonso Peña Boeuf, hasta que fue nombrado ministro de Obras Públicas, ocupando su puesto Eduardo Torroja Miret. También debe mencionarse la participación de Antonio Fernández García y José Cebada Ruiz, mientras que Francisco García-Monge Monares y Luis Ponte Manera, formaron el equipo de Eduardo Torroja.
