為提供臺北市政府規劃車站特定區建設，消除原有鐵路地面設施對市區產生之阻隔，促進都市均衡發展，行政院於民國68年10月16日核定成立「交通部臺北市區地下鐵路工程籌備處」，嗣於72年7月1日改制成立「交通部臺北市區地下鐵路工程處（以下簡稱地鐵處）」，專責辦理臺北市區縱貫鐵路移入地下之規劃與執行。91年1月1日，鑑於地鐵處業務範圍已擴及全島各都會區，地鐵處奉核定更名為「交通部鐵路改建工程局（以下簡稱鐵工局）」，專責辦理我國重大鐵路改建工程之綜合規劃、設計與施工。

為改善西部走廊長程運輸服務水準，配合各都會區捷運系統計畫，以構成完整大眾運輸網路，行政院於79年7月2日核定成立「交通部高速鐵路工程籌備處」，嗣於86年1月31日改制成立「交通部高速鐵路工程局（以下簡稱高鐵局）」，專責辦理高速鐵路建設規劃與執行及各項工程。其後於88年7月1日，配合台灣省政府功能業務及組織調整，高鐵局接辦原台灣省政府住宅及都市發展處負責之桃園、新竹、台中、台南四都會區之捷運系統建設業務，以及台北、高雄兩都會區捷運系統原省方配合事宜。

行政院自101年起推行組織改造，規劃將鐵工局及高鐵局整併為交通部鐵道局，經立法院於106年12月26日三讀通過交通部鐵道局組織法，行政院核定於107年6月11日施行。嗣後配合交通部組織改造，並因應國家整體政策，於鐵道局組織法掌理事項中加入數位轉型、氣候變遷調適、交通科技產業等3項業務相關條文及修正所屬機關名稱為工程分局，經立法院112年5月16日三讀通過，奉總統令112年6月7日公布，行政院核定自112年9月15日施行。

未來，鐵道局將整合事權、組織及人力，以軌道計畫全生命週期的觀點，落實執行鐵道局四大業務願景，包括推動規模化的「軌道建設」，在滿足國內交通需求的同時兼顧環境永續；發展國產化及在地化的「軌道產業」，協助建立自立軌道技術與通用規格及國家標準，降低國內軌道系統建置及營運維修成本；落實結合智慧科技與安全規範的「營運監理」，監督營運機構提供可靠及穩定舒適的軌道運輸服務；積極推行「場站開發」，促進都市計畫與軌道運輸的跨域整合，同時促進區域均衡及城市發展。