1891年6月，清 *** 成立北洋官铁路局，开始修建山海关站舍和机车房，这是中国官办的第一条铁路。
1893年5月，津榆铁路修到山海关，关外铁路开始动工。
1903年7月，东清铁道南部支路（长大铁路）建成通车，是由沙皇俄国投资修建并控制。
当时为宽轨1.524米。
同时在哈尔滨成立东清铁道管理局。
1905年12月3日，由日本军队修建的安奉铁路（安东至奉天）修建完工（窄轨0.762米）。
1906年鉴11月，日俄战争后，东清铁道南部支路管理权转归日本，南满洲铁道株式会社总社在东京成立。
11月11日将宽轨改为窄轨（1.067米）。
1907年3月，南满洲铁道株式会社总社迁至大连。
1907年6月，北洋 *** 修建的沈山铁路建成通车。
1907年7月1日，日本将南満铁路由窄轨改为标准轨（1.435m）
长图线由吉长线（1912年修建）、吉敦线（1928年修建）、敦图线（1933年修建）三条铁路连成，修建历时23年。
1931年9月18日，夜10时20分南满铁路日本守备队第二大队按照关东军司令部计划，将南满铁路沈阳柳条湖一段路轨炸毁，反诬中国军队破坏铁路，“九一八”事变爆发。
1934年4月，沈吉线由军阀张作霖主持修建完成。
1935年10月31日，长白线修建完成，11月1日运营。
1948年11月，东北解放，成立了沈阳铁路军事管理局。
1949年3月，沈阳铁路军事管理局改为沈阳铁路管理局，下辖长春，丹东两个分局，管辖铁路1120公里。
1950年5月，成立了中苏共管的中长铁路管理局，沈阳铁路局撤消。
1952年12月，中长铁路管理局撤消，成立了哈尔滨铁路局，统管原沈阳局铁路。
1956年1月，成立了沈阳铁路局，下辖沈阳，长春，大连，安东（丹东）四个分局，营业里程为2641公里。
1958年9月10日，沈阳铁路管理局改为沈阳铁路局。
1967年3月，沈阳铁路局实行军事管制。
1968年5月30日，沈阳局成立革委会。
1978年4月，沈阳铁路局革委会撤消，恢复铁路局原建制。
1983年10月1日，锦州，吉林铁路局撤消，并与原齐齐哈尔铁路局白城分局一起合并成立沈阳铁路局，下辖沈阳，大连，丹东，长春，锦州，阜新，通辽，吉林，图们，通化，白城11个分局，管内包括了辽宁，吉林省的全部和内蒙古东北部以及黑龙江，河北的部分地区。
营业里程达到了8361公里。
1986年11月，阜新铁路分局撤消，分别并入锦州和通辽分局；12月，白城铁路分局撤消，并入长春分局。
1993年10月，重新组建白城铁路分局。
1995年12月8日，大连铁道有限责任公司正式挂牌成立。
1997年12月31日，丹东铁路分局撤消，并入沈阳分局。
1999年8月27日，沈阳铁路局机关机构改革，撤消运输处，客运处，货运处，成立营销处，车务处，调度指挥中心；撤消生活卫生处，成立卫生处；体改法规处改为政策法规处；成立收入稽查中心，生活服务中心，押运中心，年鉴社等。
机关行政机构共设23个处室，精简22•8%。
1999年12月，沈阳铁路局管内铁路营业里程为8798公里，职工346194人，固定资产原值为507.684亿元。
净值287亿元。
2000年12月5日，图们分局撤消，并入吉林分局；白城分局撤消，并入长春分局。
2002年6月24日，铁道部下发了《关于沈阳铁路局内部客运公司组建方案的批复》。
8月30日，成立了沈阳铁路局客运公司成立大会，9月25日，召开了各分局客运公司成立大会。
全局客运公司从2003年1月1日正式独立运作。
2003年8月，调整局机关部分处室部委机构，撤销车务处、营销处、调度指挥中心机构编制，成立运输处、货运营销管理处，客运公司对内称客运事业部。
2005年3月18日，铁道部决定撤消铁路分局，实行路局直管站段体制。