본래 동해북부선·철암선(鐵巖線)·영암선(榮巖線)·삼척선(三陟線) 등으로 분리되어 있었다. 1963년 5월에 이들 철도가 하나로 통합되면서 영동선이라고 불리게 되었으며, 총연장은 193.6km이다.
현재의 영동선 노선 가운데 가장 오래 전에 건설된 것은 철암선(철암∼묵호간)으로 이미 1940년 8월에 개통되었으며, 삼척선(삼척∼북평간)은 1944년 2월, 동해북부선(묵호∼강릉간)은 1963년 10월에 개통되었다. 영동선 가운데 가장 긴 구간을 차지하는 영암선(영주∼철암)은 1955년 12월 개통되었다. 영암선의 건설은 해방 이후 산업의 부흥을 위하여 최초로 계획되었다는 점에서 매우 큰 의의를 가진다.
1949년 정부가 수립된 뒤 무엇보다도 선행되어야 할 중요한 과제는, 일제식민지 정책에 의한 파행적인 경제체제를 탈피하고 자립경제 체제를 확립하는 일이었다. 이를 위해서는 기간산업의 육성과 함께 지하자원이 풍부한 지역과 생산현장을 연결하는 철도의 부설이 필수적일 수밖에 없었다. 영암선은 이와 같은 목적에서 ECA의 원조로 1949년 4월 기공하게 되었다.
그러나 1950년 한국전쟁이 발발하게 되자, 건설 공사는 불가피하게 중단되었다. 휴전 후 1953년 9월FOA의 원조로 다시 공사가 시작되었지만, 험준한 산악지역이라는 불리한 자연조건과 부족한 자재로 가장 어려운 공사가 계속되었으며, 공기 단축을 위하여 군부대까지 동원되었다. 이러한 난공사로 개통된 영암선은 이후 우리나라 최대의 산업철도로서 큰 역할을 하게 되었다.
영암선이 개통되기 이전 태백산맥에서 채굴된 지하자원의 수송은 순전히 해로에만 의존하였고, 따라서 이 지역 산업의 본격적인 개발은 지체될 수밖에 없었다. 이러한 문제점은 영암선의 개통으로 어느 정도 해결되었다. 이 철도는 영동선으로 통합된 이후에도 태백산맥을 횡단하여 강릉에 이르는 대 산업철도로서 그간의 우리나라 경제발전에 크게 이바지하여 왔다.
또한 1975년 12월철암∼동해간이 전철화되었고, 1997년 3월에는 영주∼철암간이 전철화되었다. 그리고 2005년 9월에는 동해∼강릉 구간의 전철화가 마무리되면서 영동선 전구간은 전철화되었다. 또한 '지그재그 철로'인 스위치 백(switch back, Z자형) 구간이었던 통리역∼나한정역 구간의 속도 향상과 안전 취약점을 개선하기 위해 지난 1999년 12월 총 사업비 5,368억원을 투입, 태백 동백산역에서 삼척 도계역 간 17.8km 철도이설공사를 실시하여 13년 만인 2012년 6월 27일 개통하였다. 이 구간에 건설된 솔안터널은 총 길이 16.7km로 국내에서 가장 긴 나선형 철도터널이다. 따라서 영동선 철도는 전철화와 터널공사로 향후 그 역할이 더욱 증대할 것으로 기대된다.
영동선 철도는 산업철도인 만큼 전체 열차 운행 횟수 중 약 4분의 3을 화물열차 운행이 차지하고 있으며, 여객보다는 주로 화물 운송 중심으로 운영되고 있다. 2009년 현재 여객열차 운행은 상행선(강릉 행)과 하행선(영주 행)이 각각 5회씩 운행하고 있으며, 2008년의 여객 운송량은 73만 5,547명이다. 한편 2008년의 화물수송량은 466만 1,955톤으로, 2000년대 초반에 비하여 증가하였다. 화물품목별로는 무연탄이 289만 3,876톤으로 가장 많으며, 그 뒤를 이어 시멘트 107만 5,300톤, 잡화 43만 6,304톤, 광석, 컨테이너 등이 있다. 화물수송량이 전체 철도 화물수송량에서 차지하는 비중은 1996년의 6.6%에서 2008년에는 9.9%로 증가하였다.