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  20世紀60年代,中蘇關係因赫魯曉夫的改革而惡化;同時隨著越戰加劇及美國向臺灣海峽增兵,中美關係亦日益緊張;受蘇美兩國影響,印度、日本、韓國等國對中國亦持敵對態度。當時中國軍工產業均分佈於東部及沿海地區,一旦開戰位置將極其不利,故「三線建設」計劃被提上中國戰略層面。  京原鐵路沿線雖不屬三線建設規劃地區,但距北京最近,地勢險峻易守難攻,便於領導人進行疏散,便與成昆鐵路及北京地鐵一期工程同時列入建設計劃。  1960年,線路西段工程(至段)開工,由抗日戰爭時期修築的原平鐵路改建而成,1961年7月完工。1965年11月,在北京地鐵一期工程開工4個月之後,東段工程(至棗林段)正式開工,總長359公里,由鐵道部第三勘測設計院設計,中國人民解放軍鐵道兵負責施工。

  1965年6月,鐵道兵第四、第十三師各兩個團進駐北京市房山地區及河北省淶源地區進行施工準備。6月,第十三師奉命執行援越抗美任務;7月26日,總參謀部批准組建鐵道兵第十四師接替第十三師工程任務。全線通訊訊號工程由鐵道兵直屬第一、第二通訊工程營負責,新線運輸管理工作由鐵道兵第四新建鐵路管理處擔任。  線路設計為國家I級單線鐵路,限制坡度12‰,最小曲線半徑600米,鋼軌重60kg/m,設車站46個,車站到發線有效長850米。橋樑289座,延長19.73公里,其中特大橋3座,大橋68座,均為預應力鋼筋混凝土樑;隧道120座,延長87公里。橋隧總延長佔全線長度約四分之一 。1967年春,全線控制工程驛馬嶺隧道與平型關隧道相繼開工。  由於太行山區地質條件複雜及施工條件簡陋等原因,施工事故不斷。1967年4月鐵道兵十四師掘進驛馬嶺隧道時,因未探測到西洞口20米處存在地下河,一個50人的工兵班墜入巖洞,全員均告遇難。事故發生後設計人員將隧道開鑿位置北移並以整體道床形式穿過。  1969年6月1日,路軌鋪設自北京市石景山南站開始,西端則於1970年9月自棗林站開始。原定於1970年通車,但因「文化大革命」影響推遲,最終於1971年10月30日在靈丘站接軌,1972年底全部線路及行車設施、車站竣工。1973年1月1日全線正式開通運營,由於為戰備鐵路,並未舉行任何通車典禮。  通車後,部分割槽段因夏季暴雨落石,行車屢遇阻礙,因此鐵道兵陸續在易受落石影響區段加建棚洞及明洞,如建於1978年的浮圖峪甲、浮圖峪乙明洞。

  1973年1月1日,本線正式交付中華人民共和國鐵道部下屬北京鐵路局運營。  1982年,南觀村站至良各莊站區間側向增設燕山站;1983年,上莊站至福山口站區間增設苟各莊站,同年紫荊關站至塔崖驛站區間增設大盤石站,兩站均為會讓站。  1988年,陽明堡站至崞陽鎮站區間增設王董堡站。  1989年,經鐵道部批准,上莊站更名野三坡站。  2005年3月18日太原鐵路局成立,原屬北京鐵路局大同鐵路分局的靈丘站至原平站區間改由太原局管理,分界點位於本線K234處。  2009年12月15日,經鐵道部批准,苟各莊站更名為百里峽站,是為本線第二次將車站更名為附近景點名。

  本線沿線較重要的車站有燕山站(毗鄰燕山石化廠區,四等站)、良各莊站(石油編組站,二等站)、十渡站(位於十渡風景區,四等站)、野三坡站和百里峽站(位於野三坡風景名勝區,四等站)、白澗站(區段站,三等站)、淶源站(三等站)、靈丘站(三等站)、五臺山站(位於五臺山風景區,四等站)、繁峙站(三等站)、代縣站(三等站)、原平站(一等站)。  截至2019年1月,本線只有4對圖定旅客列車,分別是K601/602次列車(—)、K603/604次列車(北京—)、6437/6438次列車(—)和8817/8818次列車(—太原)。

  2018年1月1日,本線太原局管段(靈丘—原平段)電氣化改造工程正式開通運營,北京局管段則計劃於2018年第三季度開工。  本線有增建二線計劃,,目前暫為遠期規劃。
京原鐵路是一條連線中華人民共和國首都北京市與山西省中北部城市原平市的單線鐵路。線路途經北京市西南部的豐臺區、房山區,河北省西部的淶水縣、易縣、淶源縣,山西省東北部的靈丘縣、繁峙縣、代縣、原平市,自石景山南站起至原平站止,全長418.64公里。