여수국가산업단지의 정유공장에서 생산된 유류를 원활하게 수송하기 위하여 개설한 인입선 철도이다. 현재는 화물 전용 노선으로 이용된다.
여천공업단지(현 여수국가산업단지)를 운행하는 노선이라는 데에서 명칭이 유래하였다. 개통 당시에는 호남정유선이라고도 불렸다. 지금은 여천이라는 지명이 행정지명으로 사용되지 않지만, 1998년 이전에는 여천군과 여천시라는 지명이 존재하였다.
여천선은 저평한 해안가를 따라 운행하며, 여천선을 따라 늘어서 있는 여수국가산업단지는 바다를 매립하여 조성되었다.
여천선은 1968년 4월 23일에 착공하여 8개월 만에 공사를 마치고 같은 해 12월 30일에 준공하였다. 본격적인 영업은 1969년 5월 1일부터 시작하였다. 전라선과의 분기점 역할을 하는 덕양역에서부터 적량역의 중간에 자리한 흥국사역의 역사는 지역 특성과 주변 경관을 고려하여 한옥식으로 건축되었다.
1973년 12월 11일부터 여객 운송 업무를 중단하였다가 1976년 1월 6일에 여객 취급을 다시 시작하였다. 이후 여객 운송은 1986년에 중단되었으며 화물 전용으로 운영되고 있다. 2010년에 전라선이 복선 전철화하면서 노선이 변경되어, 전라선에 설치되었던 기존 덕양역의 위치가 약간 북쪽으로 이전하였다. 이로 인해 전라선 복선 전철화 사업이 마무리된 2011년 4월 5일부터는 여천선의 노선이 11.6㎞로 연장되었다. 여천선의 종점인 적량역에서부터 제7비료공장까지의 인입선 철도 3㎞ 구간이 1976년 11월 9일에 준공되었다.
노선에는 흥국사역과 적량역 등 2개 역이 있다. 여천선은 여수국가산업단지 내의 LG석유화학·GS칼텍스·금호석유화학·한화케미칼·롯데케미칼(구 호남석유화학)·삼남석유화학 등지의 화물 수송을 담당하고 있다. 2015년 기준으로 모두 71만 3203톤의 화물을 운송하였는데, 이는 2010년의 112만 9897톤에 비해 감소한 것이다.
주요 품목으로는 비료, 잡화, 컨테이너 등이 있으며, 가장 큰 비중을 차지하는 것은 컨테이너이다. 여천선의 개통으로 호남지방의 발전과 더불어 유류 생산과 수송 효율을 높일 수 있게 되었다.