采用南北两头同时向隧道中间点凿进的同时，采用竖井方法挖掘，中部开凿两个直井，分别可以向相反方向进行开凿，增加工作面，依靠人力建成了这条中国筑路历史上的第一条长大隧道。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。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、萨拉齐至包头北重站。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。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。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。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%。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。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。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。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。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。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。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，作为集包铁路和京包铁路之间唯一的通道。2016年11月1日，因新建京张高速铁路，京包铁路北京北至昌平段暂停运营（届时北京北至昌平间为复线），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。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。北京北至沙城段为非电气化铁路（北京北至28K线路所的铁路现已经拆除），沙城至包头段为电气化铁路。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。已拆除段：北京北（今京张高铁始发站），清华园，清河（今京张高铁中间站）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。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。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。