1999年,北京地铁规划中首次出现北京地铁10号线,为缓解中央商务区地面交通,其东段选择沿东三环敷设,形成北京地铁10号线一期工程雏形。2001至2002年,中国城市规划设计研究院和赛斯达公司为北京地铁进行了线网优化为缓解北京地铁2号线换乘压力,首次提出了第二条环线的概念,由北京地铁10号线和北京地铁11号线共同组成一条新的环线,北京地铁10号线作为其东、北两段。在规划中,两条线在城市东南部的宋家庄站及西北部的蓝靛厂站进行换乘,同时北京地铁11号线向西北延伸至香山。2003年12月27日,作为北京2008年奥运工程,北京地铁10号线一期开工,均为地下线,但由于没有施工预留,为面对东三环地下大量的管网和立交桥的桥墩基础结构,北京地铁10号线一期中有5座车站采用了分离式岛式站台设计,车站纵向分成两个或三个平行的结构,再通过通道连接。2004年3月11日,北京市轨道交通建设管理有限公司公布了北京地铁10号线二期的线路规划,由万柳站(即巴沟站)向西延长一站至蓝靛厂站,劲松站向南到宋家庄站。2007年,北京出台《北京市城市快速轨道交通近期建设规划(2007-2015年)》,原北京地铁11号线被并入北京地铁10号线中作为二期工程,成为一条环线;同年12月28日,北京地铁10号线二期工程开工,全长32.46千米,全部为地下线。2008年7月19日,北京地铁10号线一期开通,兑现了申办奥运会时关于乘坐地铁从机场到奥运村的承诺。2009年8月,北京地铁10号线在首经贸站与草桥站之间增设了纪家庙站,取消位于莲花桥站和六里桥站之间的马官营站。2010年,受丰台站扩建影响,孟家村、前泥洼两座车站于2010年5月停止施工。规划部门提出将孟家村站、前泥洼站取消,合并至新丰台站地下,称作“三站合一”,但因沿线居民反对,最终实施的方案中,前泥洼站北移300米,孟家村站北移100米,并分别改为泥洼站和丰台站。2012年2月,泥洼站开始施工;同年4月,丰台站开始施工;同年12月30日,北京地铁10号线二期以“C”型分段开通。2013年5月5日,北京地铁10号线二期剩余车站和区间开通。