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黔桂鐵路起自廣西柳州，沿線經廣西宜州、金城江、南丹、貴州省麻尾、都勻、貴定，終於貴州龍里，全長489公里，是中國西南地區的第一條准軌鐵路。其西端接川黔鐵路、滬昆鐵路，東端接湘桂鐵路、焦柳鐵路，向南延伸，通黎湛鐵路，南防鐵路、南昆鐵路[1]。在柳城向北分出三羅鐵路[注 1]，在金城江向北分出金紅鐵路。
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因抗日戰爭需要，於1939年7月開始修建。因築路官僚貪污腐化，剋扣糧餉，工頭肆意欺壓民夫，加上匪患頻繁，致使工程時停時續，1940年年末，柳州-河池金城江段161公里建成。1943年6月6日獨山舉行盛大通車典禮，6月21日起開行柳州至獨山的客運列車，規定行車時間為一日一夜。開採貴陽境內林東煤礦（烏當和清鎮交界）供應黔桂鐵路用煤。機車車輛的潤滑油料來源非常困難，用植物油代替。1944年9月日軍攻進廣西、時局日趨緊張、全線不得不停工時，此時僅修好柳州至都勻清泰坡461公里，火車勉強通車運營至獨山。而這段鐵路，也由於日軍入侵的黔南事變而損毀嚴重。1945年日本投降，國民政府對該線進行修復，至1949年修復了柳州至金城江段。1950年10月，拆除黔桂鐵路金城江至都勻300公里的廢棄鋼軌用於湘桂鐵路柳州至南寧段的建設。1955年，開始修復金城江至都勻段，都勻至貴陽段同時動工。1958年底完面鋪軌任務，1959年1月7日全線通車。2004年12月改造工程動工，2009年1月10日竣工，改造後的線路全長由606.7公里縮短至489公里。
新線在2004年12月動工，2009年1月10日竣工。主要包括洛滿至金城江改建既有線，金城江至龍里沿既有線通道新建單線，柳州至龍里電氣化改造，其中柳州樞紐柳州至洛滿段增建二線。改造後的線路全長由606.7公里縮短至489公里，全線縮短118公里，新設流塘，柳城，肯洛，油路，岜侖，打場，車河，大山，綠蔭湖等站；改建宜州，南丹，泗亭，麻尾，獨山，都勻等站。新線開通後，新墟，流山，大石，三岔，洛西，北崖，鼓裡等車站撤銷。黔桂新線設計時速為120-160 km/h，線路等級由國鐵等級外鐵路提升為國鐵Ⅰ級單線電氣化鐵路，預留複線。改造後的線路南起柳州途經柳江、柳城、宜州、河池、南丹五縣市，由麻尾進入貴州省的獨山、都勻、貴定、龍里等縣市到達貴陽市。成都鐵路局管轄龍里-麻尾區間，南寧鐵路局管轄泗亭-柳州區間。目前，貴陽—柳州客車運行時間已經縮短為6小時30分左右。
原黔桂線在金城江-貴定區間主要是山區鐵路，最小曲線半徑只有173m，最大坡度29‰，所以速度只有21–60 km/h左右。改造後的黔桂線最小曲線半徑1600m，最大坡度13‰，速度可達120-160 km/h（柳州-金城江段速度可達200km/h）
1967年，柳州鐵路局麻尾機務段開始配屬東風型機車，投入到以坡陡彎急而著稱的黔桂鐵路使用，自此黔桂鐵路的牽引動力逐漸改用柴油機車，取代了以往使用的解放1型蒸汽機車。1973年初，麻尾機務段配屬的東風型機車多達128台，達到歷史頂峰，後來近半數改配屬同年成立的金城江機務段。
1995年8月，山區型東風7D型柴油機車開始配屬在柳州鐵路局金城江機務段、成都鐵路局麻尾機務段，投入黔桂鐵路運用。
2005年至2006年，部分防寒型東風7D型柴油機車從哈爾濱鐵路局調入柳州鐵路局。
2009年1月10日全線電氣化的黔桂鐵路新線正式開通運營後，客運列車由成都鐵路局貴陽機務段和南寧鐵路局柳州機務段韶山3型電力機車牽引，貨運列車由柳州機務段和貴陽機務段韶山1型電力機車和韶山3型電力機車牽引。而東風7D型柴油機車也完成了其在黔桂鐵路的使命。
2014年9月，南寧鐵路局柳州機務段配屬韶山3B型電力機車並投入到黔桂鐵路擔當跨局貨運長交路[2]後，配屬於成都鐵路局貴陽機務段的韶山3B型電力機車亦開始擔當黔桂鐵路跨局貨運長交路。此後配屬南寧鐵路局柳州機務段的韶山3型電力機車退出本線運用。
在2015年7月鐵路調圖後，黔桂鐵路跨局客運長交路改由南寧鐵路局柳州機務段和諧3C型電力機車擔當。
K9379/9380次列車由成都鐵路局重慶機務段的和諧3C型電力機車牽引；而5538/5539、5540/5537次列車在柳州到金城江區間交路由南寧鐵路局柳州機務段和諧3C型電力機車擔當。
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早在2009年，南寧鐵路局已經開始計劃進行黔桂鐵路的二線計劃[3]。由於2011年甬台溫鐵路列車追尾事故造成鐵路投資下滑以及貴廣客運專線通車，導致該複線計劃一直未有實行[4]。直至近年來，為進一步提高西南陸海新通道的運力，黔桂鐵路二線被納入「十四五」規劃，預計於2024年內正式動工興建，全長411.8公里，估算總投資約353.33億元，柳州至金城江段設計行車速度為160km/h，金城江至貴陽段則最高140km/h，工期4年。預計工程完成後，河池至柳州段有望增開最高時速160km/h的動力集中式列車，方便兩地的市民往來。[5]
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