于1983年建成，全线于1991年5月3日投入营运，全程单线铁路和未电气化，所有列车均由柴油机车牵引。2004年2月29日，因广州铁路集团控股的三茂铁路股份有限公司管辖范围增加原由广铁集团羊城铁路总公司管辖的广三铁路，原广三铁路和三茂铁路正式合并为广茂铁路，取消三茂铁路此线路名称，但三茂铁路股份有限公司仍然负责管辖广茂铁路。同时铁道部将广茂铁路由二级线路调整为一级线路。