서울특별시에서 시작하여 경상북도 경주시에 이르기까지 우리나라 중부내륙지방을 남북으로 관통하는 노선이며, 총연장은 383.0㎞이다. 우리나라의 남북을 관통하는 철도로는 경부선 다음으로 중요한 것으로 인식된다.
경부선에 이어 우리나라 제2의 종관철도로서 일제강점기에 한반도 및 만주의 지하자원을 수탈하고 일본에서 우리나라를 거쳐 만주에 이르는 여객 및 화물의 수송을 위하여 부설된 철도이다. 일제강점기인 1923년에 조선총독부의 조선 제2종관선 건설계획이 수립되었으며, 1935년에 노선이 확정되어 중앙선이라 명명하였다. 건설초기인 1939년 6월에는 경상북도 영천을 종착역으로 하였으며, 경경선(京慶線)으로 개명되기도 하였다.
처음 착공된 것은 1936년으로 일제가 만주사변 (1931년)으로 괴뢰 만주국을 수립하고, 대륙침략을 본격화하기 위하여 중일전쟁(1937년)을 일으키기 바로 직전의 해이다. 일제는 이러한 침략전쟁을 수행하는 과정에서 조선의 보다 많은 자원수탈과 함께 남북을 종관하는 새로운 철도 부설의 필요성을 느끼게 되었는데, 이는 중앙선 건설의 주요한 배경이 되었다.
일제가 밝힌 건설 목적에서도 “반도 제2의 종관선을 형성함으로써 경상북도·충청북도·강원도·경기도 등 4도에 걸치는 오지 연선 일대의 풍부한 광산·농산 및 임산자원의 개발을 돕고, 지방산업의 발달을 촉진하는 동시에 격증하는 일본(日)·조선(鮮)·만주(滿)의 교통 연락, 객·화의 수송 완화를 도모하고자 한다.”라고 하였다.
이는 그 목적이 대륙침략을 위한 교통선의 개발과 지하자원이 풍부한 우리나라 동부지방 일대의 자원수탈에 있음을 암시하고 있다. 그러나 사실 중앙선의 건설 계획은 식민지경영이라는 목적 아래 착공되기 상당히 오래 전부터 준비되어 왔다.
이미 1923년부터 서울의 서빙고(西氷庫)를 기점으로 이천·충주를 거쳐 단양·예천·안동·의성·대구로 이어지는 노선과 경원선(京元線)의 청량리를 기점으로 양평·장호원을 거쳐 충주로 이어지는 노선이 검토되었던 것이다. 그러나 1935년 최종적으로 청량리·양평·원주·제천을 지나 단양·영주·안동·영천을 연결하는 계획안이 확정되었고, 곧이어 실측에 들어갔다.
건설 공사는 1936년 11월 3일 당시 동경성(東京城)이라고 불리던 청량리 방면에서 시작하였고, 그 해 12월 18일부터는 남쪽 기점인 영천 방면에서도 착공되었다. 그리고 중앙부 죽령터널과 치악터널 부근에서도 공사가 시작되어 중앙선의 건설은 남북 양 기점을 비롯한 여러 곳에서 동시에 이루어졌다. 그리하여 공사가 먼저 끝난 구간별로 개통을 하게 되었다.
가장 먼저 북부의 청량리역∼양평역 구간이 1939년 4월에 개통되었고, 같은 해 12월에는 남부건설공사구간에서는 우보역∼영천역 구간이 개통되었다. 1940년에는 양평역∼원주역 간, 안동역∼우보역 간이 개통되었으며, 소백산맥의 죽령터널도 같은 해 5월에 준공되었다. 이와 같이 구간별로 계속된 열차 운행의 개시는 대구∼영천∼경주 간 광궤개축(1939.6.1)과 더불어 지방 교통의 편리를 크게 높일 수 있었다.
그러나 이미 4년간 계속되고 있던 중일전쟁의 확대로 레일공급 부족난에 부닥쳐 일부 구간의 개통은 연기되었다. 그 때문에 1일 평균 연장 1,500m라고 하는 부설 공사의 기록을 세웠음에도 불구하고, 전 구간의 완전 개통은 주요 구간이 개통된 지 2년 후인 1942년 4월에 단양역∼안동역 구간 73.5㎞가 개통됨으로써 경경선으로 완전 개통되었다. 1945년 10월에 노선명이 중앙선으로 환원되었다. 시공상의 특성은 선로가 전 구간에 걸쳐 지세가 험한 차령산맥과 소백산맥을 넘는 관계로 터널과 교량이 많다는 점이다.
특히, 경사가 심하기 때문에 중앙선에는 죽령터널과 같은 루프(loop)식 터널과 우리나라에서 가장 높은 교량이었던 길아천철교(높이 40m)가 있다. 현재 이 철도는 광복 이후 건설된 충북선·태백선과 각각 봉양·제천에서 이어지고, 경북선·영동선과 영주에서 교차할 뿐만 아니라 경부선과도 충북선·경북선·대구선을 통하여 연결되는 등 영동·영서 지방의 중추적인 교통축이 되고 있다.
1969년부터 구간별 전철화 공사에 착수하여 청량리역에서 영주역에 이르는 구간의 전철화 사업이 1988년에 마무리 되었다. 열차수요가 증가함에 따라 2005 12월에는 청량리역∼덕소역 구간의 복선전철이 개통되었으며 중앙선 광역전철이 운행을 시작하였다. 2008년 12월에는 청량리역∼국수역까지 개통되었고, 2009년 12월과 2012년 9월에는 국수역∼용문역, 용문역∼서원주역까지 복선전철이 개통되었으며, 수도권 광역전철 운행구간은 용문역까지 연장되었다.
'강릉행 케이티엑스(KTX)'가 운행을 시작하면서 서울 청량리와 경북 영주시를 운행하던 새마을호(일 4회)는 효율성 및 열차경합의 문제로 폐지되었다.
중앙선 일대는 우리나라에서 지하자원이 가장 풍부한 곳이어서 산업발전에 기여하는 바가 특히 많다. 화물수송량은 여러 철도선 중 가장 많다(2008년 기준으로 우리나라 전체 철도 화물수송의 20.1%). 2009년의 여객 열차는 상행선과 하행선에 각각 22회씩 운행하며, 수도권 광역전철은 상하행선 각각 83회씩 운행한다. 2008년의 여객열차 여객수송량은 278만 215명에 달하며, 수도권 광역전철 수송객은 2008년에 1,484만 3,456명이었던 것이 2009년에는 노선연장에 따라 이용객이 2,495만 7,045명으로 크게 증가하였다. 2008년의 화물수송량은 939만 3,543톤에 달한다. 화물폼목 가운데 가장 많은 비중을 차지하는 것은 시멘트로서 모두 861만 2,312톤이다. 중앙선은 전체적으로 보면 화물열차의 운행이 더 많아, 여객수송보다는 산업철도로서의 구실이 크다.