清光绪二十五年(1899年)九月一日 慈禧太后召见了新简任的督办铁路大臣盛宣怀。紧接着便是戊戌政变，义和团运动，八国联军进京，英布战争，此事被迫搁浅下来，无人过问。

清光绪二十九年(1903年) 借款谈判继续展开，清政府改派直隶总督袁世凯为督办津镇铁路大臣，因直、鲁、苏三省绅民要求自办，后来得到会同袁世凯谈判的湖广总督张之洞大力支持：“借直、鲁、江三省绅民为抵制。 ”最终取得津镇铁路路权。

1905年4月 京沪铁路在该路总管理处的领导下正式开工并在上海举行开工典礼。

1908年 京沪铁路通车至南京。运营初期，京沪铁路每日运行的旅客列车为上海南京间3对，上海常州间、上海苏州间、上海南翔间和南京常州间各1对。沪宁间的快车仅在南翔、昆山、苏州、无锡、横林、常州、镇江等站停靠，全程运行7小时26分钟。

清光绪三十三年(1907年)十二月十日，清政府外务部署右侍郎梁敦彦与英、德银团（上海德华银行和伦敦华中铁路公司）代表在北京签订《天津浦口铁路借款合同》二十四条。德国出资300万镑、英国出资200万镑。同一日，因沪宁铁路即将建成通车，总理外务部事务大臣奕劻、直隶总督袁世凯、湖广总督张之洞具折请求将津镇铁路改为津浦，线路改经洪泽湖以西的安徽境内，经宿州、蚌埠、滁州到达终点浦口。与德英两公司改订借款合同，获准。十二月十八日，津浦铁路总公务所在北京成立。

清光绪三十四年(1908年)二月，在天津设立津浦铁路北段总局。六月，由督办大臣吕海寰着手勘定北段路线 （天津至山东峄县韩庄），次第兴工。七月，在浦口设立津浦铁路南段总局，开始勘定南段线路（韩庄至浦口）。

清宣统元年(1909年)一月二日 津浦铁路南段在浦口开工，举行盛大的开工典礼。

清宣统二年(1910)四月 浦口至临淮关区间铺轨通车。

清宣统三年(1911年)九月和十月 津浦铁路南段和北段先后通车。用时38个月，建设速度堪称清代铁路建筑史上之最。

民国元年十一月廿四日(1913年1月1日) 泺口大桥正式投入使用，津浦铁路也正式全线通车。北起天津总站（今为天津北站），南至江苏浦口，全长1009.480公里，后因故延至天津东站，正线全长为1013.830公里，设85个站。

1928年11月21日 国民政府铁道部将沪宁铁路改称京沪铁路（南京至上海），将沪宁、沪杭甬铁路局合并，改称京沪沪杭甬铁路管理局。

1933年 在南京下关与浦口之间的长江上建成火车轮渡，开通了从上海直达北平的快车。上海南京间特别快车的运行时间也缩短到6小时20分。

1935年冬 运行时间缩短到5小时45分。

1937年1月1日 该线路开始实行新的行车时刻表。

1949年5月，上海解放，京沪区铁路管理局由人民政府接管，该线路由上海铁路管理局管辖，改称为京沪线。7月，中断12年的京沪列车恢复开行。

1955年 开行13/14次京沪特快列车，运行时间为31个小时。

1958年7月 津浦铁路开始双线建设。

1968年 南京长江大桥通车。

1986年4月 京沪直达特别快车开行，全程缩短为16小时59分。

1991年6月13日04时27分 109次直快旅客列车和1329次货物列车在京沪线津浦段新马桥至曹老集区间段下行K816+920处发生追尾冲突，冲突造成109次旅客列车东风4-0528号本务机车中破，其操纵端中度受损，司机受轻伤，后端和机后第1位硬卧车厢发生挤压而受损严重，在后端酣睡的副司机死亡,机后第1位硬卧车厢前部变形严重而宣布报废，机后第2位硬卧车厢小破，车内27名乘客和列车员受轻伤；1329次货物列车列尾起第1、第2和第3位车厢报废，第4位车厢中破，第5位车厢小破，没有人员伤亡。造成京沪线新马桥至曹老集区间段下行正线损坏150米、报废钢轨3根、轨枕130根，中断下行线正线行车18小时37分钟。

2004年 中国铁路第五次大提速，京沪之间开行一站直达的Z字头列车，全程缩短为11小时58分。

2005年7月1日 京沪铁路电气化提速提能工程开工，京沪铁路电气化改造工程是国家重点工程，是全国铁路第六次大提速的标志性工程。

2006年6月15日 经过中铁二十四局集团工程技术人员近7个月的艰苦施工，京沪线电气化铁路安徽段最后一项信号改造工程胜利完工。

2007年1月1日，沪宁铁路、京山铁路北京站-天津北站段、津浦铁路合并为京沪铁路。4月，京沪快速列车开行，全程缩短为9小时59分。7月1日，京沪铁路电气化正式投入运营。同年，中国铁路第六次大提速，部分路段提速至200km/h。

2011年6月30日 京沪高速铁路建成通车，大大缓解了既有京沪线客运压力。

2021年11月23日 京沪铁路昆山至陆家浜上行线已成功拨接。12月23日03点05分 京沪铁路昆山至陆家浜段4.71公里铁路改造工程下行线完成新、老铁路线之间的精准拨接。该区间双向铁路全面开启“新线时代”。铁路运输时速由原来的160km/h提升至200km/h,提高了京沪铁路的通行效率,铁路桥下航道的通航能力也得到了提升。

2023年3月31日 国铁北京局完成了京沪铁路京津段换轨集中修施工；12月30日，京沪铁路原廊坊北站正式更名为广阳站。

2024年8月17日，京沪铁路沧州站改造工程站房主体结构顺利封顶。

注：斜体字代表已经撤销的车站

北京站，北京南站，北京丰台站，黄土坡站，黄村站，魏善庄站，安定站，万庄站，广阳站，落垡站，豆张庄站，杨村站，汉沟镇站，北仓站，一二九公里站，南仓站，天津西站，曹庄站，杨柳青站，周李庄站，良王庄站，独流站，静海站，双堂站，陈官屯站，王官屯站，唐官屯站，马厂站，青县站，李窑站，兴济站，姚官屯站，沧州站，砖河站，捷地站，冯家口站，大满庄站，泊头站，南霞口站，东光站，大张庄站， 连镇站，吕家寨站，安陵站，吴桥站，许官屯站，长庄站，德州站，于官屯站，黄河涯站，李家桥站，三唐站，平原站，林庄站，张庄站，黄桥站，禹城站，晏城北站，晏城站，十二里阁站，桥南站，济西站，水屯站，党家庄站，炒米店站，崮山站，张夏站，青杨站，万德站，皮家店站，界首站，大河站，泰山站，洪沟站，北集坡站，云亭站，大汶口站，磁窑站，南驿站，歇马亭站，吴村站，柳庄站，姚村站，白家店站，兖州站，程家庄站，东滩站，邹城站，野店站，两下店站，看庄站，界河站，刘家庄站，滕州站，南沙河站，官桥站，井亭站，枣庄西站，沙沟站，塘湖站，韩庄站，利国站，三张茂站，前亭站，茅村站，徐州北站，徐州站，高家营站，三铺站，桃山集站，曹村站，夹沟站，褚庄集站，符离集站，十里堡站，宿州站，宿州南站，陵家桥站，西寺坡站，芦岭站，任桥站，唐南集站，固镇站，连城站，新马桥站，曹老集站，徐家港站，蚌埠站，蚌埠东站，门台子站，凤阳站，板桥站，小溪河站，石门山站，明光站，卞庄站，金张站，管店站，三界站，张八岭站，沙河集站，陈营站，滁州北站，担子站，乌衣站，东葛站，永宁镇站，高里站，林场站，南京站，兴卫村站，南京东站，栖霞山站，龙潭站，石榴园站，下蜀站，桥头镇站，高资站，六摆渡站，镇江站，镇江东站，渣泽站，三山站，新丰站，丹阳站，丹阳东站，吕城站，奔牛站，新闸镇站，常州站，湾城站，常州东站，戚墅堰站，横林站，洛社站，无锡北站，无锡站，无锡南站，周泾巷站，硕放站，望亭站，浒墅关站，苏州西站，苏州站，外跨塘站，唯亭站，正仪站，昆山站，陆家浜站，天福庵站 ，安亭站，黄渡站，南翔站，江桥镇站，上海西站，光新路站，上海站

另：济南铁路枢纽内，经由晏城站，孙庄站，（焦斌站），桑梓店站，桑南站，鹊山站，泺口站，北园站，济南站，济南南站，党家庄站等站的这段铁路，为经泺口黄河铁路大桥过黄河的老津浦铁路，即1980年代以前的京沪铁路正线，目前晏城站-北园站区间（济晏线）已调入邯济铁路正线；曹家圈特大桥投用后，经由桥南站，董家庄站，东沙王庄站，北园站，济南站，济南南站，党家庄站等站的铁路，为1980年代至中国铁路第六次大提速前的京沪铁路正线，2006年12月31日，铁道部正式起用“京沪线”线路名称并开始统一编排里程后改称京沪三四线，亦即济南铁路。

京沪铁路大部分区段和京杭大运河并行。正线自北京铁路枢纽北京站东侧引出，并由北京西站东侧引出京九铁路至黄村站连接正线；正线出北京站后折向西南方向经过北京南站、北京丰台站、黄村站，向东南过廊坊到达天津市，在南仓站转弯向西，跨海河过天津西站，向正南经过沧州站后，折向西南过德州站后与大运河分道扬镳折向东南，在齐河县跨过黄河后经过济南市西郊，并通过联络线连接济南站，沿着泰山西坡到达泰安再向南去滕州站后，京沪铁路继续与京杭大运河并行，一路向南沿着微山湖进入苏北地区，经过徐州铁路枢纽转向西南经过安徽省的东部，转向东偏南，再次进入江苏省，在南京长江大桥过长江进入南京市，最后一路向东经过镇江、丹阳、常州、无锡、苏州、昆山到达上海市，正线进入上海站；或从黄渡站引出黄封联络线至封浜站，经沪昆铁路至李家塘站再转入李莘联络线，至莘庄站后转入沪春联络线进入上海南站；或至封浜站转入虹封联络线进入上海虹桥站。

中国铁路北京局集团有限公司：北京站始至德州站南端站界（371km+011m）为北京铁路局管辖；

中国铁路济南局集团有限公司：德州站南端站界（371km+011m）始至徐州市的利国站北端站界处（778km+000m）为济南铁路局管辖；

中国铁路上海局集团有限公司：利国站北端站界（K859+000m）至上海站终止为上海铁路局管辖。

改造工程自2005年7月1日正式开工，2006年6月20日起全线供电，7月1日正式投入运营。涉及北京铁路局管内的正线368.7公里，包括京山线（京津段）、津浦线及北京、天津枢纽。

主要工程项目包括铁路电气化、通信、信号、电力及与之相配套的改造工程。京沪铁路电气化改造后，京沪线部分列车将由原来的内燃机车牵引改为电力机车牵引。

京沪铁路安徽省宿州市境内电气化施工技术人员在不到6℃的寒风中为铁路更换配件。京沪铁路安徽段北起宿州市符离集站，南至南京市东葛站，全长258公里，共有28个车站。

京沪铁路电气化工程是中国又一个在既有线上进行电气化改建的重要项目，开通运营后，先进的电力机车取代内燃机车，将对进一步缩短京沪间运行时间，节约成本，提高铁路运输能力发挥重要作用。全长1462公里的京沪铁路电气化改造工程于2006年7月竣工。

2021年12月23日凌晨，经过连续4个多小时的施工，京沪铁路昆山至陆家浜段铁路改造工程下行线顺利完成新、老铁路线之间的精准拨接，至此，该段线路完成全线拨接，京沪铁路的通行效率进一步提升，铁路上跨的航道梗阻也随之打通。

京沪铁路所经地区开发较早，物阜民丰；经济、文化发达，资源丰富，名、优、土、特产品繁多；自然景观、人文景观和文物古迹随处可见；既有长江大河，又有沼泽湖泊；既有崇山丘陵，又有平原沃野；既有六朝古都又有现代通都大邑；气候温和，风调雨顺；绿草如茵、四季花香，是一条旅游佳线。（《中国铁路站名词典》 评）

京沪铁路经过东部人口密集、经济发达地区，沿线有许多重要工业城市，粮棉集中产区和鱼米之乡。南运货物以钢铁、煤炭、木材、棉花、油料和杂粮为主；北运货物以机械设备、机电设备、仪表、布匹、百货、面粉和茶叶等。

京沪铁路连接了中国最大的两座城市，沿途大都为沿海经济发达地带，同时带动苏北、皖北等地区发展，因此成为中国最繁忙的铁路干线之一。