1909年8月11日京张铁路建成,10月2日通车,共修建四年整。是中国首条不使用外国人员,由中国人自行建设完成,投入营运的干线铁路。由当时的清政府任命詹天佑为京张铁路局总工程师(后兼任京张铁路局总办)。施工时间比原定缩短了两年;而建造成本亦比原来预算(729万两白银)节省了20多万两白银。1911年11月,张家口至阳高段完工。长56.6公里的阳高至大同段线路因辛亥革命爆发而停工,1912年12月正式复工,1914年1月阳大段通车。1914年3月,全长44.8公里的大同至丰镇段开工,1915年9月通车。1915年6月,北京环城线开工,同年12月完工。环城线由北京西直门站开始,沿北京城的北城墙,自北向东,连接至京奉铁路东便门站,全长12.6公里。大丰段竣工后,本应继续向西续建,但因军阀混战,续建工程被迫中断。1918年4月,为了解决所需路煤燃料,京绥铁路局在大同新建了至烟煤产区口泉的口泉支线,线路全长19.18公里,同年9月通车。12月在河北宣化建设了宣化至水磨坊对岸,长8.65公里的水磨支线,该支线为运输烟筒山铁矿矿砂的轻便铁路,后因铁矿公司倒闭,于1922年被拆除。在停工长达四年之久后,1919年8月,全长240.3公里的丰镇至绥远段线路开工,铁路线进入绥远境内。1921年5月1日全线完工,更名为平绥铁路(北平-归绥)。1920年,在平绥铁路全线开通仅5个月之后,149.6公里的绥远至包头段开始修建。线路自绥远向西,在大青山南麓与大黑河之间,经毕克齐、察素齐、陶思浩、萨拉齐至包头北重站。1923年1月完工通车,至此该路全线建成,当时全长817.9公里。1921年5月1日,当时的北洋政府,又修建了张家口至绥远路段,更名为平绥铁路。1922年,青龙桥火车站矗立了詹天佑铜像。1923年,在京张铁路的基础上,通过两次展筑延伸到包头,改称为京包铁路。京张铁路成为北京及包头的京包铁路的首段。1939年6月,日本占领期间,为了运输煤炭资源,在包头至召沟间建设了大青山支线,全长41.4公里,工程于1940年7月建成,1945年该支线被拆除。1939年9月,日本在原有京门铁路基础上,为掠夺大台一带的煤炭资源,修建了京门铁路延长线,即大台支线,该线路起自京门铁路门头沟站,向西经色树坟站、过落坡岭站至大台站,全长30.4公里,工程于1940年5月完工。1940年12月,为了掠夺龙烟煤矿的煤炭资源,日本修建了宣庞支线(今宣庞铁路),支线全长40公里,走向从宣化向东略北,至庞家堡止。该支线前后施工长达四年,最终于1944年12月全线完工。国共内战第二次国共内战导致平绥铁路屡遭破坏,特别是平津战役期间,主战线即沿平绥铁路一线铺开,平绥铁路遭到较为严重的破坏,通车时断时续。建国中华人民共和国成立后,首先对全国遭受战争破坏的基础设施进行了大规模的修复和重建。遭受重创的平绥铁路也于1949年10月修复通车,正式更名为京包铁路。1949年中华人民共和国成立后,广安门车站向北,自北京宣武区手帕口至西直门火车站的一段铁路拆除,西直门站(北京北站)成为京包铁路始发终到客站。现在京包铁路沿线公里标还是以最初起始点北京丰台柳村0公里标开始计算,并未随着改动,实际正线缩短12公里。京张铁路人字形很独特。1952年,由于原京张铁路关沟段一带通过能力较差,另外建成了来往丰台及沙城(怀来)的丰沙铁路。丰沙线的走向即当年詹天佑认为较好但因造价较高而被迫放弃的路线。1953年10月,因在永定河上游建设官厅水库,康庄站至狼山站段线路位于待建水库的蓄洪区内,遂对该段铁路进行改线工程。工程须改线15.91公里,废弃妫水河站,并以新建的全长654米,高26米的妫水河大桥和两端桥头高22米以上的透水路堤跨越水库。1954年12月改线工程完工,并于次年3月交付运营。1955年11月,沙城站至郭磊庄站段改线及复线工程开工,1958年11月完工。这是京包铁路全线首个进行复线建设的区段。1956年3月,京包铁路包石支线重建工程开工。包石支线又名石拐子支线,西接包头二道沙河站,东经石拐子站至水磨滩站,全长31.7公里。线路行经河谷地带,穿越大东沟、石拐沟分水岭,河道弯多水急,线路随河就弯,逢沟设桥,桥涵数量达到每公里4座,半径250米的曲线占到总长度的30%。1958年11月,工程完工并于当月正式交付使用。同月(1956年3月),郭磊庄站至大同站段的线路改建和复线工程正式开工,因中苏交恶及文化大革命的严重影响,该段线路改造与复线施工几经反复,最终于1974年全面完工投入使用。1957年8月,京包铁路包头枢纽环线开工建设,环线全长29.2公里,自包头东站至昆都仑召站止。1962年12月工程全部完工,交付使用。1958年7月,大同站至包头站段的线路改建和复线工程正式开工。1959年2月,宣化大林堡支线新建工程开工。线路计划由原京包铁路宣庞支线(今宣庞铁路)的李大人庄站引出,通往河北省赤城县境内,经黄草壤、龙关至八里庄附近,然后深入大林堡矿区,作为矿石运输专用线路,全长50.19公里。线路行经黄土丘陵的赵川盆地和龙关盆地,穿越黄草岭山岳地带。由于中苏交恶,工程于当年年末停工,1960年6月复工,1961年彻底停建。施工期间仅进行了部分路段的路基施工,全线直至停建,并未铺轨。1960年1月,京包铁路在北京地区的辅助线路,北京枢纽东北环线(今双沙铁路)新建工程开工。新建线路自百子湾东侧信号所开始,向北后折向西,止于京包铁路K28乘降所(原为28公里信号所),线路全长32.1公里,1966年12月建成正式投入运营。同年2月,西直门站至河北沙城站区段复线工程开工,因中苏交恶,施工于1961年7月下马。其中,在原“人”字形铁路青龙桥站附近新建青龙桥西站。青龙桥西站与青龙桥站相距不足1公里,原本拟扩建青龙桥站,增加到发线,但因附近地形限制,建成了纵列式的新站场。