北同蒲铁路于1933年11月开工，1939年竣工。初建时为窄轨铁路，1938年改为标准轨距，并与全国铁路联网。北同蒲铁路沿线开发较早，山川壮美，物产富饶，民风淳朴，古迹颇多。
原先是山西军阀阎锡山依靠自己的力量，组织晋绥兵工修建的米轨铁路。1938年日军将北同蒲改为准轨。解放后将南同蒲也改为准轨。北同蒲铁路沿线开发较早，山川壮美，物产富饶，民风淳朴，古迹颇多。
1949年4月24日
太原解放，5月1日大同解放，6月7日成立太原铁路管理局，并于11月6日成立山西省铁路修复指挥部。太原铁路管理局成立北同蒲工程大队负责铁路抢修工作。11月开始，铁道兵一支部队开始抢修皇后园至忻县（80公里）和忻县至史家岗支线（38公里，现为忻河支线）全长118公里的线路。
1950年3月至6月，铁道兵一支部队负责修通平旺至朔县的线路和桥梁。忻县至朔县段，由于坡度大，弯道多，桥梁破坏严重，抢修难度也大，由太原铁路管理局工程大队、衡阳铁路管理局桥工队和天津铁路管理局朔县工程处于1950年8月至1951年7月修复通车。至此，平旺至忻县段全部抢修通车。北同蒲铁路于1951年8月2日举行全线通车典礼，当时的铁道部部长滕代远亲临剪彩。
1957年1月25日，北同蒲铁路技术改造工程开始。太原铁路管理局放弃宁武至轩岗段家岭间90%的旧线路，另筑新线。新筑段家岭隧道长3345米，当时仅次于
川黔铁路的凉风垭大隧道，为全国第二长大隧道，于1959年10月30日竣工。
20世纪80年代后期，北同蒲铁路进行大规模的电气化改造，部分线路进一步取直，曲线半径加大，增加站线，更换重型钢轨，线路通过能力进一步提高，行车设备更加现代化。1983年6月开工，1989年7月31日开通。1992年4月1日，北同蒲铁路全部废除蒸汽机车牵引，改由
内燃机车、
电力机车牵引，成为晋煤外运的主要干线之一。