충청북도를 동서로 횡단하는 철도로서 총연장은 115.0㎞이다.
일제강점기 때에 사설철도회사인 조선중앙철도주식회사에 의해서 조치원역∼청주역의 22.7㎞ 구간이 1921년 11월에 개통된 것이 충북선의 시작이다. 1923년 5월에 청주역∼청안역 간의 29.9㎞가 개통되었으며, 1928년 12월에는 청안역∼충주역 간의 47.4㎞가 개통되었다. 해방 이후인 1946년 5월에 국유철도가 되었으며, 1958년 5월에 충주역∼봉양역 간의 35.2㎞가 개통됨으로써 현재의 충북선이 완전히 개통되었다.
수송수요 증대로 조치원역∼봉양역 간 복선화가 추진되어 1975년 10월 20일 복선화 공사가 착공되었고, 1980년 10월 17일에 113.2㎞가 복선화되었다. 1997년 5월에는 전철화 공사에 착공하여 2005년 3월에는 모든 구간이 전철화되었다. 2010년 4월부터 2012년 9월까지 서울역∼제천역 간에 누리로호가 운행을 개시하였다가 2012년 9월 이후부터는 무궁화로로 변경하여 운행 중이다.
조치원역에서는 경부선과 연결되고 봉양역에서는 중앙역에 연결되는 노선으로 강원지방의 화물이 경유하는 중요한 노선이다. 즉 충북선은 태백산지와 영동지방을 전국으로 이어주는 기능을 함과 동시에 중요한 산업철도로서 충청북도의 지역경제 발전에 큰 도움이 되고 있다.
이 철도가 지나는 인근의 주요 관광지로는 속리산국립공원·법주사·선유동구곡·화양동구곡·대청호·금강유원지·수안보온천·월악산국립공원·탄금대·충주댐 등이 있다.
충북선은 화물의 수송기능이 중시되는 노선으로서 복선화 및 전철화 공사도 화물수송을 목적으로 실시된 것이다. 따라서 여객열차의 운행은 그리 많지 않은 편이다. 현재 충북선을 운행하는 여객열차는 상행선(대전 행)과 하행선(제천 행)이 각각 9회씩 운행한다. 이 가운데 8회는 대전∼제천을 운행하는 열차이고 1회는 서울∼제천을 운행하는 무궁화호이다. 2008년의 여객수송량은 69만 3,782명이다. 한편 2008년의 화물수송량은 28만 365톤이며, 컨테이너가 24만 9,515톤으로 가장 많은 비중을 차지하며 그 다음은 잡화 2만 6,313톤이다.