98年5月开工，2001年4月15日全线铺通，2002年2月8日首部列车开通，正式投入营运。随着包西铁路大通道建设，2010年12月25日，神延铁路延安北站至大保当建成复线化运营。而大保当到神木北仍然保持单线状态。神延铁路在神木北站与神华集团的包神铁路、神朔铁路相连，在延安与西延铁路相接。