강원특별자치도 태백산지의 석탄 수송을 위하여 건설된 철도이며 총연장 45.9㎞이다.
일찍이 우리나라 지하자원의 보고인 태백산일대의 무연탄의 개발과 수송을 위하여 산업철도선인 함백선(咸白線, 1957년 개통) · 영암선(榮巖線, 1955년 개통) 등이 건설되었으나, 최대의 탄전인 정선탄전의 개발을 위해서는 새로운 탄전철도가 필요하였다.
정선선은 이러한 배경하에서 1962년 5월 10일부터 건설공사가 시작되어 예미∼증산 구간이 1966년 1월 10일 개통된 이후 구간별로 계속 개통되다가, 1974년 12월 여량∼구절리 구간이 완공됨으로써 정선선 전구간이 개통하게 되었다. 1999년에 여량역은 아우라지역으로 개명되었다. 2004년에는 아우라지역∼구절리역 구간의 7.2㎞가 영업을 중지하여 폐선되었고, 2005년부터는 자방자치단체의 관광진흥 노력에 따라 아우라지∼구절리 구간에서 레일바이크가 운행 중이다. 이에 따라 많은 관광객이 정선군을 방문하고 있다.
2008년 1월에는 정선선 전용 통근열차가 운행을 중지하였고, 제천∼민둥산(구 증산)∼아우라지 구간에 무궁화호의 운행이 시작되었다. 2009년 9월에는 증산역을 주변의 산 이름을 따서 민둥산역으로 개명하였다. 수도권에 거주하는 관광객의 정선선 수요가 증가함에 따라 2009년부터 서울역에서 아우라지역까지 무궁화호가 운행을 시작하였으며, 2010년부터는 청량리역에서 아우라지역까지로 구간이 단축되었다.
그러나 현재 예미역∼민둥산역 구간은 태백선이 되고, 나머지 구간만 정선선을 불리고 있다. 경제개발 제1차 5개년계획의 일환으로 건설된 이 철도는 정선일대의 원동 · 삼척 · 회동 · 나전 · 구절 등의 대규모 탄전의 개발뿐만 아니라 인마에 의존할 수밖에 없었던 산간오지의 교통개선에 크게 이바지하였다.
정선선을 정기적으로 운행하는 열차는 없으며 임시노선이 운행중이다. 2008년의 정선선 여객수송량은 5만 161명이다. 화물수송량은 2000년대 중반까지만 해도 10만톤을 상회하였지만, 주변지역의 탄광이 영업을 중지함에 따라 급격히 감소하였다. 2008년의 화물수송량은 7,200톤이며, 전량 청용(K.N.R)이다.