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  早在第一次世界大戰前和中從今天的土西鐵路的兩端開始修建鐵路。  從東邊這是1915年10月21日正式通車運營的650千米長的阿爾泰鐵路(),這條鐵路從新西伯利亞經巴爾瑙爾至塞米伊(塞米巴拉金斯克)。  從西邊從俄羅斯中部和塔什干之間向塔拉茲修建鐵路。1917年俄國二月革命和十月革命使得這個工程暫時停止。此時這條鐵路長200千米,離目的地還有70千米。蘇聯國內戰爭結束後工程又開始。1921年鐵路修到塔拉茲,1924年到達比什凱克,此時它長約550千米。

  1927年在蘇聯的第一個五年計劃中將這兩條鐵路通過哈薩克東南部的草原和半沙漠連線到一起成為一個被宣傳廣泛的大專案。  1929年蘇聯拍了一部紀錄片來宣傳這個工程。這部紀錄片被看作是蘇聯無聲電影晚期紀錄片中的代表作之一。土西鐵路這個名稱也是這個時候出現的。  1931年全長1452千米的連線線路運營。原有的兩端的鐵路線也被併入土西鐵路,使得它的總長度到達2351千米。這樣正在開發的西伯利亞與蘇聯的中亞部分連線到了一起。通過已有的塔什干鐵路它與費爾幹納盆地中的杜尚別。除此之外通過1880年代已經建造的鐵路它還可以通到撒馬爾罕、布哈拉、阿什哈巴德和最後通到裡海邊的土庫曼巴希。

  土西鐵路於1931年1月2日開通後擁有一個自己的鐵路局,但是它僅管理該鐵路的部分線路。  1953年通往卡拉幹達的鐵路開通。  1958年6月13日土西鐵路的鐵路局也接管通往卡拉幹達的鐵路。  在俄羅斯蘇維埃聯邦社會主義共和國境內的大部分段落不屬於土西鐵路鐵路局管理,而是受西伯利亞的鐵路局管理。至1918年為阿爾泰鐵路局,從1934年至1961年為東西伯利亞鐵路局,此後為西西伯利亞鐵路局。今天該鐵路局依然管理俄羅斯境內的部分。

  1970和1980年代裡土西鐵路的組織多次更變。1991年蘇聯解體後從蘇聯和哈薩克的邊境開始的大部分線路及其支線屬於哈薩克國家鐵路。它是哈薩克南部的重要交通線路。  從1989年開始土西鐵路開始逐漸從西部電氣化。從2003年開始在阿拉木圖和哈薩克的新首都阿斯塔納之間執行哈薩克最快的火車:泰爾戈列車。  土西鐵路的一條單線且沒有電氣化的支路是吉爾吉斯坦國家鐵路的唯一鐵路線。
土西鐵路(),全名為突厥斯坦-西伯利亞鐵路()是一條連線西伯利亞鐵路和中亞細亞的鐵路線。