京张铁路最为人所知的工程是为克服南口和八达岭的高度差而修建的青龙桥车站人字形铁路。克服了重重困难，在1908年9月完成了第二段工程。

第三段工程的难度仅次于关沟，首先遇到的是由七根一百英尺长的钢梁架设而成的怀来大桥，这是京张铁路上最长的一座桥。1909年4月2日火车通到下花园。

下花园到鸡鸣驿矿区岔道一段虽不长，右临羊河，左傍石山，山上要开一条六丈宽的通道，山下要垫高七华里长的河床。

詹天佑即以山上开道之石来垫山下河床。为防山洪冲击路基，又用水泥砖加以保护。1909年9月24日通至张家口，完成了第三段工段。

京张铁路从1905年9月4日正式开工，到1909年10月2日在南口举行通车典礼，仅用了4年的时间，京张铁路的建设期比预定计划提前了两年。

按当初预算，京张线施工以及购置机车、车辆的费用为白银729万两，实际仅用了约700万两。

1907年3月，京门支线（现为京门铁路）开工建设，为京张铁路运煤支线，次年9月竣工。

京张铁路通车后逐段向西展筑，1911年11月，张家口至阳高段完工。长56.6公里的阳高至大同段线路因辛亥革命爆发而停工，1912年12月正式复工，1914年01月阳大段通车。

1914年03月，全长44.8km的大同至丰镇段开工，1915年09月通车。

1915年06月北京环城线开工，同年12月完工。环城线由北京西直门站开始，沿北京城的北城墙，自北向东，连接至京奉铁路东便门站，全长12.6公里。

大丰段竣工后，本应继续向西续建，但因军阀混战，续建工程被迫中断。

1918年04月，为了解决所需路煤燃料，京绥铁路局在大同新建了至烟煤产区口泉的口泉支线，线路全长19.18km，同年09月通车。12月在河北宣化建设了宣化至水磨坊对岸，长8.65km的水磨支线，该支线为运输烟筒山铁矿矿砂的轻便铁路，后因铁矿公司倒闭，于1922年被拆除。

在停工长达四年之久后，1919年08月全长240.3km的丰镇至绥远段线路开工，铁路线进入绥远境内。1921年05月01日全线完工，更名为平绥铁路（北平-归绥）。

在平绥铁路全线开通仅5个月之后，149.6km的绥远至包头段开始修建。线路自绥远向西，在大青山南麓与大黑河之间，经毕克齐、察素齐、陶思浩、萨拉齐至包头站。

1923年01月完工通车，至此该路全线建成，当时全长817.9km。

1939年06月日军占领期间，为了运输煤炭资源，在包头至召沟间建设了大青山支线，全长41.4km，工程于1940年07月建成，1945年该支线被拆除。

1939年09月，日军在原有京门铁路基础上，为掠夺大台一带的煤炭资源，修建了京门铁路延长线，即大台支线，该线路起自京门铁路门头沟站，向西经色树坟站、过落坡岭站至大台站，全长30.4km，工程于1940年05月完工。

1940年12月，为了掠夺龙烟煤矿的煤炭资源，日军修建了宣庞支线（今宣庞铁路），支线全长40km，走向从宣化向东略北，至庞家堡止。

该支线前后施工长达四年，最终于1944年12月全线完工。

第二次国共内战（解放战争）导致平绥铁路屡遭破坏，特别是平津战役期间，主战线即沿平绥铁路的张家口、北平、天津一带铺开，平绥铁路遭到较为严重的破坏，通车时断时续。

中华人民共和国成立后，首先对全国遭受战争破坏的基础设施进行了大规模的修复和重建。遭受重创的平绥铁路也于1949年10月修复通车，正式更名为京包铁路。

1953年10月，因在永定河上游建设官厅水库，康庄站至狼山站段线路位于待建水库的蓄洪区内，遂对该段铁路进行改线工程。

工程须改线15.91km，废弃妫水河站，并以新建的全长654米，高26米的妫水河大桥和两端桥头高22米以上的透水路堤跨越水库。1954年12月改线工程完工，并于次年03月交付运营。

1955年11月，沙城站至郭磊庄站段改线及复线工程开工，1958年11月完工。这是京包铁路全线首个进行复线建设的区段。

1956年3月，京包铁路包石支线重建工程开工。包石支线又名石拐子支线，西接包头二道沙河站，东经石拐子站至水磨滩站，全长31.7km。

线路行经河谷地带，穿越大东沟、石拐沟分水岭，河道弯多水急，线路随河就弯，逢沟设桥，桥涵数量达到每公里4座，半径250米的曲线占到总长度的30%。

1958年11月，工程完工并于当月正式交付使用。同月（1956年03月），郭磊庄站至大同站段的线路改建和复线工程正式开工，因中苏交恶及文化大革命的严重影响，该段线路改造与复线施工几经反复，最终于1974年全面完工投入使用。

1957年8月，京包铁路包头枢纽环线开工建设，环线全长29.2km，自包头东站至昆都仑召站止。

1962年12月工程全部完工，交付使用。

1958年7月，大同站至包头站段的线路改建和复线工程正式开工。

1959年2月，宣化大林堡支线新建工程开工。线路计划由原京包铁路宣庞支线（今宣庞铁路）的李大人庄站引出，通往河北省赤城县境内，经黄草壤、龙关至八里庄附近，然后深入大林堡矿区，作为矿石运输专用线路，全长50.19km。

线路行经黄土丘陵的赵川盆地和龙关盆地，穿越黄草岭山岳地带。由于中苏交恶，工程于当年年末停工，1960年6月复工，1961年彻底停建。施工期间仅进行了部分路段的路基施工，全线直至停建，并未铺轨。

1960年1月，京包铁路在北京地区的辅助线路，北京枢纽东北环线（今双沙铁路）新建工程开工。新建线路自百子湾东侧信号所开始，向北后折向西，止于京包铁路K28乘降所（原为28公里信号所），线路全长32.1km，1966年12月建成正式投入运营。

同年2月，西直门站至河北沙城站区段复线工程开工，因中苏交恶，施工于1961年7月下马。其中，在原“人”字形铁路青龙桥站附近新建青龙桥西站。

青龙桥西站与青龙桥站相距不足1公里，原本拟扩建青龙桥站，增加到发线，但因附近地形限制，建成了纵列式的新站场。

青龙桥西站投入运营后，青龙桥站只接送开往北京方向的上行列车；青龙桥西站则只接送开往包头方向的下行列车。

京包铁路最初起始点为北京丰台的柳村。1968年，丰台至广安门站向北，经宣武区手帕口至西直门火车站的一段铁路拆除，西直门火车站（北京北站）成为京包铁路始发终到客站。

京包铁路沿线公里标仍然以北京丰台柳村0公里标开始计算，并未随着改动，实际正线则缩短12km。

1971年7月，北京境内的西北环铁开工建设。该线路全长33.3km，连接京包铁路沙河站和丰沙铁路三家店站，是北京地区重要的铁路联络线之一。于1979年12月初步建成，前后历时8年之久。

1977年4月开始，沙城站至大同站之间线路安装全线自动闭塞，同年年底完工。

1983年11月11日，京包铁路张家口至永定门间运营的515/516次旅客列车被铁道部命名为“文明列车”，并被授予“文明列车”光荣牌。这是铁道部自1980年提出加强中间站、慢车工作后，在落实“三上一下两杜绝”和创建“三优文明路”中，京包铁路线上获奖的车次。

1987年11月6日，位于京包铁路八达岭段最高点处的詹天佑纪念馆建成并正式开馆。纪念馆设瞻仰厅、序幕厅和陈列厅，瞻仰厅正面为詹天佑全身大幅照片，并在上首悬挂周恩来题字：“中国人的光荣”。

1990年3月10日，大同站至包头站段的线路改建和复线工程全面完工，复线正式开通。大包段复线工程早于1958年就已开工，因内外多方面因素导致工程几次停复工，历时32年之久方才完成。至此，京包铁路复线实现全线通车。

1996年5月22日，跨官厅水库的妫水河大桥新桥开工建设。

原桥开通运营43年来，由于冬季屡次受到冰害影响，全桥19个桥墩先后被冰挤断10个，多次造成铁路断道，影响正常的客货运输。后决定在原桥下游（南侧）30米处新建大桥。

1997年12月2日新桥完工通入运营，京包铁路改走新桥，旧桥被弃置拆除，现仅存桥墩。新妫水河大桥正桥和引桥全长852.64米，水中墩高14.7米，承台直径18米，厚3.5米。该桥墩台基础结构坚固，完全可以抵御冰害的影响。

2014年4月26日，中国京包线(包头——北京)将开通列车T318/7次特快旅客列车，用时仅为7小时49分，这对于中国重工业城市包头与中国首都北京的进一步交流，提供了更为便捷的服务。

1998年1月，北京站至北京东站区段增建第二线工程开工，于同年06月11日完工。工程增铺新线5km，将原单线区段改为复线。

为构筑京包铁路快速运输通道，乌兰察布与包头间拟新建第二复线。2008年07月21日，增建第二复线的控制工程，位于内蒙古自治区卓资县境内的八苏木隧道提前开工建设。

该隧道为双线隧道，进口在卓资县八苏木乡西沟村附近，出口在该县马盖图乡南营子村附近，隧道全长8230米，计划2011年02月贯通。

2008年8月，北京市到八达岭、延庆县、怀来县开通城铁列车（北京市郊铁路S2线）开通，北京到延庆县的康庄区间走既有京包铁路。

2009年4月1日，乌兰察布至包头段增建第二双线工程开工。该工程沿原有铁路平行铺设，起点为古营盘站，终点为包头站，全长307.955km，概算149.84亿元，总投资人民币162.6亿元。

附属项目还包括包头站、包头东站、包头西站枢纽改造工程。集包铁路第二双线建成后，将与张集线一起形成京包间运输通道，可有效解决蒙西能源基地的外运瓶颈，缓解京藏高速公路运输压力。

2012年12月3日，集包铁路第二双线运行通车。 集包铁路建成后，与既有京包铁路实现客货分开，有效地缓解了运输压力。

呼和浩特地区货车外绕至新建瓜房子站、呼和浩特南、沙良三个车站，取消了原有的台阁牧站、呼和浩特站及呼和浩特东站。瓜房子站与台阁牧站间利用原有上行京包铁路建成瓜房子联络线。

2014年7月1日，京包铁路张家口联络线停止运营。

2016年11月1日，因新建京张高速铁路，京包铁路北京北至沙河段暂停运营，位于北京市海淀区的四道口、五道口、六道口（双清路道口）全部拆除，北京北站、清河站、沙河站、昌平站暂停办理客运业务，清华园站停止办理客运业务，距离昌平站7km的昌平北站投入使用。

北京北站所有普速列车均改为昌平北站始发终到，S2线列车则改为黄土店始发终到。与此同时，清华园隧道准备建设。

2018年4月10日，全国铁路大调图，京包铁路昌平至沙城段为不可移动文物，不再走行国铁旅客列车，只走行S2线列车。

2019年12月30日，京张高速铁路正式开通运营，北京北站至昌平站间恢复客运业务。

2020年10月11日，原京包铁路昌平至葫芦段与集包铁路葫芦至台阁牧段合并为京包铁路。唐张铁路、张集铁路、集包铁路古营盘至葫芦段、原京包铁路葫芦至包头段合并为唐包铁路。

京包铁路从北京市西城区出发，经海淀区、昌平区，过南口站进入冀北山地，过居庸关在青龙桥站（上行线）和青龙桥西站（下行线，转向经过两次隧道）换向继续爬坡，穿过八达岭长城，到康庄镇继续向西穿过燕山（南口站和康庄站两次更换机车），继续向西过官厅水库（妫水河）沿着洋河经怀来县沙城镇，宣化区到张家口。

从张家口南站向西经万全区，在怀安县柴沟堡镇转向西南，沿着洋河经大同天镇县，阳高县向西进入大同，在大同站转弯向北穿过长城，进入内蒙古自治区丰镇市，经过察哈尔右翼前旗到达乌兰察布。

从乌兰察布转向正西，穿过河套平原（土默川平原）经卓资县到达呼和浩特（正线从白塔站向南绕过呼和浩特直到毕克齐站，继续向西沿着黄河，经土默特左旗的察素齐站和土默特右旗的萨拉齐站到达包头市的包头东站和包头站）。

京包铁路全长824km，其中内蒙古自治区境内长度405km。京张高铁建成前，北京北至沙河段为单线（北京北至28K线路所的铁路现已经拆除），沙河至包头段为复线，京张高铁建成后全线为复线；昌平至沙城段为非电气化铁路，其余为电气化铁路（包含京张高铁北京北至昌平段）。

2020年3月23日，京包铁路线葫芦至包头西间区域开始了集中修施工作业，此次集中修主要工作是清筛线路道床、捣固线路、维修捣固道岔等。

京包线全线第一阶段集中修施工作业预计5月30日前完工。

京包铁路自北京北站起，至包头东站止，全线共设有车站90座（不含支线、联络线上车站）。其中特等站1座（大同站），一等站7座（北京北站、沙河站、沙城站、宣化站、呼和浩特站、包头东站），二等站3座（南口站、张家口站、集宁南站），三等站12座，其余为四等站及五等站。

京包铁路全程跨越北京市、河北省、山西省、内蒙古自治区四个省级行政区。

北京市境内共设站13座，河北省境内设站17座，山西省境内设站13座，内蒙古自治区境内有车站47座。

自北京北站至柴沟堡站（不含）区间为中国铁路北京局集团有限公司管辖；

自柴沟堡站至古店站区间为中国铁路太原局集团有限公司管辖；

自古店站（不含）至包头站区间为中国铁路呼和浩特局集团有限公司管辖。

北京北站（起点）、清华园站（已撤销）、清河站、沙河站、昌平站、南口站、东园站、居庸关站、三堡站、青龙桥站、八达岭站、西拔子站、康庄站、东花园站、狼山站、土木站、沙城站、新保安站、西八里站、下花园站、辛庄子站、宣化站、沙岭子东站、沙岭子站、张家口站、孔家庄站、郭磊庄站、大洋河站、柴沟堡站、西湾堡站、大高埃站、永嘉堡站、夏小堡站、天镇站、沙屯堡站、罗文皂站、柳林堡站、阳高站、王官人屯站、随士营站、聚乐堡站、上榆站、周士庄站、大同东站、大同站、古店站、孤山站、弘赐站、堡子湾站、五台洼站、丰镇站、碱地站、新安庄站、永王庄站、红砂坝站、索家村站、土贵乌拉站、纳继站、苏集站、古营盘站、集宁南站、坝王河站、葫芦站、三岔口站、水坑站、八苏木站、三义站、十八台站、哈拉站、马盖图站、姑家堡站、卓资东站、卓资山站、义丰站、福生庄站、安居站、三道营站、蒙古营站、旗下营站、水磨站、陶卜齐站、郭家营站、白塔站、呼和浩特东站、呼和浩特站、呼和浩特南站、瓜房子站、毕克齐站、攸攸板站、台阁牧站、大里堡站、毕克齐站、察素齐站、宋拉站、陶思浩站、三八树站、美岱召站、老藏站、萨拉齐站、公积板站、东兴站、古城湾站、包头东站（终点）

北京段：京沪铁路、京承铁路、京广铁路、京哈铁路、京九铁路、京通铁路、京原铁路、丰沙铁路、京通铁路（在昌平站分离）

河北段：大秦铁路、丰沙铁路、沙蔚铁路

山西段：大准铁路、大秦铁路、同蒲铁路、大西高铁

内蒙古段：集二铁路、集通铁路、集张铁路、包神铁路、包西铁路、包兰铁路、包白铁路

2004年07月03日上午，一列火车在京包铁路北京段撞上抢行的货车尾部，事故导致两死一伤，铁路停运近20分钟。

2004年10月08日凌晨，京包铁路河北沙城段，一名中年男子卧轨自杀身亡。

2007年08月18日下午，一列货运列车在孔家庄站区段因轮轴断裂，在行驶中发生出轨事故。两节车厢侧滑到轨道以外，列车从出轨的车厢处断开，事故中无人员伤亡。该事故导致上行方向中断行车数小时。

2009年01月03日，由北京开往蒙古国首都乌兰巴托的K23/24次列车行驶至堡子湾站附近时发电车起火，并无人员伤亡。

2009年06月05日，北京黄村站开往乌鲁木齐站的中铁快运X183次行邮专列通过堡子湾站时发生火灾，幸无人员伤亡。

2010年03月19日，在建中的集包段第二复线工程新旗下营隧道施工现场发生塌方事故，塌方长度约20米左右，有10名人员被困。

2010年05月3日22时许，在建中的集包段第二复线工程二道河1号铁路隧道施工现场民工工棚发生火灾，造成10人死亡，14人受伤。