충청북도와 강원특별자치도 태백시를 동서로 연결하는 철도로서 전 구간의 구배가 매우 심하기 때문에 운행 차량의 종류와 견인량 수, 그리고 운전속도 등이 제한되는 철도이다. 총연장은 103.5㎞이다.
원래 이 노선은 광복 후 경제부흥을 위한 태백 산간지방의 중요 지하자원 개발을 목표로 하는 산업철도(영암선 · 영월선 · 함백선 · 문경선) 건설에 기원을 두고 있으며 단계적으로 건설되었다.
1949년 5월 3일 영월선 · 함백선 건설 공사에 착수하여 영월선의 일부인 제천∼함백 구간의 공사에 착공하였으며, 1955년 12월에 제천∼영월 구간 38.1㎞가 개통되어 영월선이라 명명하였다. 이후 1957년 3월에 함백선 구간인 영월∼함백간의 22.6㎞가 개통되어 기존의 영월선 구간인 제천∼영월 구간을 통합하여 제천∼함백간 60.7㎞를 총칭하는 함백선(현 함백선은 예미∼조동간 9.6㎞)이 개통되었다.
그 뒤 1962년 12월에 백산∼황지 간이 완공되었고, 1966년 1월에 예미∼증산간의 정선선과 증산∼고한 간의 고한선이 완공되었다. 1973년 10월에는 고한∼황지간의 15.0㎞가 완공되었다. 이로써 기존에 존재하던 영월선 · 정선선 · 고한선 등을 통합하여 태백선으로 명명하였다.
한편, 1968년 5월 대통령이 지시한 산업철도 전철화 계획에 의하여 전철화되었는데, 1974년 6월에는 제천∼고한 간 80.1㎞가, 1975년 12월에는 고한∼백산 간 23.6㎞가 각각 준공되어 태백선 전구간이 전철화되었다. 이 노선 중 고한∼추전 사이의 정암터널은 1973년 2월에 순수 국내 기술진에 의해 관통된 4,505m의 터널로서 당시에는 국내 최장터널에 해당하였다.
1981년에 삼척군 황지읍과 장성읍이 통합되어 태백시로 승격함에 따라, 1984년에는 황지역을 태백역으로 개칭하였다. 2004년에는 통일호 열차가 운행을 중단하였다. 2005년 5월에는 제천역∼쌍룡역 구간의 복선화 공사계획이 고시되었다. 2009년 9월에는 증산역을 민둥산역으로 개명하였다.
2013년 11월 제천역에서 입석리역까지 복선전철화 공사가 완료되어 제천~입석리역까지 복선전철이 개통, 운행되고 있다.
이 노선은 태백 산간지방의 풍부한 지하자원 매장지대를 통과하고 있어 지역개발에 커다란 구실을 하였다. 또한 노선 연변에는 강원특별자치도 영월의 고씨동굴 · 장릉 · 청령포 · 어라연 등 관광지를 비롯하여, 강원랜드에 진입할 수 있는 사북역, 국내에서 해발고도가 제일 높은 추전역 등의 양호한 장소자산을 보유하고 있다. 태백선의 열차운행은 화물열차의 운행이 압도적으로 많으며, 태백선 구간만을 한정하여 운행하는 여객열차는 전무하다. 태백선을 경유하는 열차는 2009년 현재 상행선(제천 행)과 하행선(태백 행)이 각각 9회씩 운행한다. 2008년의 여객수송량은 65만 194명이었다. 한편 화물수송량은 1990년대 중반까지 1,000만 톤을 상회할 정도로 수송량이 많았다. 2008년의 화물수송량은 830만 7,599톤으로 우리나라 전체 철도화물의 17.8%를 차지하였다. 화물품목은 시멘트가 649만 4,696톤으로 압도적이며, 광석 114만 1,420톤, 무연탄 66만 4,140톤 등이 있다.