朝鲜战争爆发后，1950年10月9日，铁道兵团奉命进入朝鲜，执行抗美援朝铁路抢修任务。1950年11月，中国人民解放军铁道兵团以中国人民志愿军铁道兵团的名义开赴朝鲜半岛参加抗美援朝战争。1951年1月，中国人民志愿军铁道兵团转隶中国人民志愿军总部领导。1951年1月22日，志愿军在沈阳召开后勤会议，周恩来总理到会强调“千条万条，运输第一条。”铁道兵团机关入朝组成铁道兵团前方指挥所。继铁一师入朝后，铁三师、铁二师入朝参战，各师共补入兵员9000人。炮火连天中抢修被轰炸的铁路，确保清川江、大同江、沸流江、大宁江等重要桥梁“随炸随修”。上半年，逐渐改善线路质量，有效支援前线作战。夏季抗击数十年不遇的特大洪灾，昼夜抢修，连队患夜盲症30%以上，取得抗洪保桥胜利。下半年，短兵相接反“绞杀战”，拆卸定时炸弹，填平弹坑，搭枕木墩，技术革新，斗智斗勇斗顽敌，“人在桥在，人在路通”，反“绞杀战”初战告捷。召开首届英模大会，杨连第等24名英模出席全国铁路模范代表大会，参加国庆观礼。1952年8月，重新列入中央军委建制。自赴朝鲜直到1951年初，中国人民志愿军铁道兵团执行铁路抢修任务，修复铁路900余公里。此后在朝鲜北部1300公里铁路线上，针对以美军为首的“联合国军”的空袭进行反轰炸斗争，快速及时修通被空袭炸毁的铁路。自1951年8月起，“联合国军”开始实施10个月的旨在切断中朝军队后方供应的“空中封锁交通线战役”（即“绞杀战”）。中国人民志愿军铁道部队随即展开反“绞杀战”斗争，最终粉碎了“联合国军”的空中封锁，使铁路成为“打不烂炸不断的钢铁运输线”。1953年初，为防止“联合国军”登陆，中国人民志愿军铁道部队用两个多月抢建出长129公里的龟城到殷山的龟殷铁路，从而改善了朝鲜北部地区的铁路布局。1953年7月朝鲜战争停战后，中国人民志愿军铁道部队参加了朝鲜北部铁路的新建及复旧工程。