同蒲铁路初为山西大同到山西蒲州的铁路，故曰同蒲铁路，同蒲铁路后经改造延长北起大同经太原南至运城，继而在风陵渡过黄河，在孟塬站接入陇海铁路。全长865公里，以太原为界，分为北同蒲铁路和南同蒲铁路。

同蒲铁路是贯穿山西省中部的南北铁路干线。自山西大同经朔州、忻州、太原、晋中、临汾、运城至芮城县风陵渡。全长865公里，以太原站为界，分为北同蒲铁路和南同蒲铁路。

南同蒲段513公里，于1933年5月开工，1935年12月竣工。北同蒲段351公里，于1933年11月开工，1939年竣工。1951年8月，同蒲铁路全线恢复通车。

同蒲铁路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。

清朝光绪三十三年(1907)清政府路矿局就有修建之议。袁世凯时亦拟修大潼铁路(大同至潼关)，但均未动工。

1928年，阎锡山向南京国民政府提出修建同蒲铁路的要求被拒绝后，便决定依靠自己的力量修建。同年10月，同蒲铁路开始正式勘测。1929年4月，阎锡山聘请德国工程师任测量队队长，1931年3月全部测量完毕。德国工程师认为工程艰巨，费用浩大，建议修建窄轨铁路。1930年，由于中原军阀混战，阎锡山下台，同蒲铁路也随之停建。

1932年2月，阎锡山再度执政山西。10月20日，晋绥兵工筑路局成立；1933年1月21日，晋绥兵工筑路指挥部成立，阎锡山任总指挥，晋绥公署机关各处处长兼任各组组长，阎锡山调3万兵工修建同蒲铁路。

北同蒲铁路原定线路由皇后园经棘针沟、大泉沟、樊家庄、石岭关、刘家沟、韩家沟、水峪、双堡村、紫岩村至忻县。由于这条线路地形复杂，特别是石岭关，需要开凿隧道，而且坡陡弯急，工程量很大。工程处处长李其昌提出改线，后经工程师田普霖、宋彤、赵福增分别率领测量组经过三次测量后，测定新线由皇后园，经过马坡头村、高村，北白村，田庄，平社，豆罗至忻县。由于新线比原线地势平坦，工程量小，是一条经济线路，故决定按新线走向修建。

1933年5月，北同蒲铁路与南同蒲铁路同时开始施工。1935年8月1日太原至原平通车；1937年3月通车至阳方口；同年8月铺轨至大同十里河桥南岸，修至朔县到大同段，因抗日战争爆发而停工，后因大同沦陷而终止，距大同仅差8公里未能全线铺轨。1939年3月，日军强迫民工修通大同至宁武间和宁武至太原间的路段。

从1943年起，面对抗日军民的不断抗击与破袭，日军控制的北同蒲线仅能勉强通车。当时由太原至原平需要7小时，时速仅为25公里至35公里，列车牵引重量为300吨左右。

1945年日本投降后，阎锡山又掌握山西大权，接管北同蒲铁路。1946年7月，中国人民解放军和民兵对北同蒲铁路进行有计划的破袭，大同至忻县间桥梁、车站站房、钢轨、枕木、电线杆、电线全被拆除；忻县至高村间的枕木全部烧毁，钢轨运走，路基分段挖断、炸毁。电线杆、电线、桥梁、车站站房拆毁，北同蒲铁路陷于瘫痪，至新中国成立都没有修复通车。

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。

大同—宁武：复线电气化，四显示双向自动闭塞，上行全线75kg/m无缝钢轨，下行除阳方口-宁武为70kg/m钢轨外，其余与上行一样，最小半径除大同站北头300m外其余为800m，最大坡道阳方口-宁武间12‰-18‰。牵引机车太局湖段SS4(G)、HXD1、HXD2，牵引定数10000t，双机20000t。

宁武—原平：单线电气化（凤凰村-长畛区间是复线电气化），三显自动闭塞，60kg/m无缝钢轨，最小半径250m，最大坡道28‰。牵引机车太局太段SS4、SS4(G)，牵引定数单机2000t，双机4000t，货车于宁武站加挂补机太局太段DF8B。

原平—太原北：复线电气化，三显自动闭塞，60kg/m无缝钢轨，最小半径800m，最大坡道12.5‰。牵引机车太局太段SS4、SS4(G)，牵引定数单机3000t，双机6000t。

太原北—榆次西：复线电气化，三显自动闭塞，60kg/m无缝钢轨，最小半径407M，最大坡道8.5‰。牵引机车太局太段SS4、SS4(G)，太局侯段SS4、SS4(G)、HXD2、HXD2C，牵引定数单机4000t。

榆次西—介休：复线电气化，四显自动闭塞，60kg/m无缝钢轨，最小半径800m，最大坡道6.4‰。牵引机车太局侯段SS4、SS4(G)、HXD2、HXD2C；牵引定数双机8000t。

介休—侯马：复线电气化，四显自动闭塞，60kg/m无缝钢轨，最小半径400m，最大坡道12‰。牵引机车太局侯段SS4、SS4(G)、HXD2、HXD2C；牵引定数双机8000t。

侯马—永济：单线电气化（侯马-东镇区间为复线电气化），四显自动闭塞，60kg/m无缝钢轨，最小半径400m，最大坡道12.1‰。牵引机车太局侯段SS4、SS4(G)、DF8B，牵引定数双机4000t。

永济—风陵渡：单线电气化，半自动闭塞，75kg/m无缝钢轨，最小半径800m，最大坡道13‰。牵引机车太局侯段SS4、DF8B、SS4(G)，牵引定数双机4000t。

风陵渡—孟塬：单线电气化，半自动闭塞，60kg/m无缝钢轨，最小半径800m，最大坡道13‰。牵引机车太局侯段DF8B、SS4、SS4(G)，牵引定数双机4000t。

大同—大新：太局湖段HXD1、HXD2、SS4(G)

湖东—宁武：太局湖段HXD1、HXD2、SS4(G)

大新—太原北：太局太段SS4、SS4(G)

太原北—侯马北：太局太段SS4、SS4(G)太局侯段SS4、SS4(G)、HXD2、大同地铁HXD2C、郑局乡段HXD1、

侯马北—孟塬：太局侯段SS4(G)、HXD2、大同地铁HXD2C

大同—朔州—神木北(4629/4630)：太局湖段DF4B(K)、DF4D

大同—朔州—宁岢：太局湖段DF4B(K)、DF4D

大同—太原：太局太段HXD3C、DF4B(K)、HXD3D

太原—临汾：太局太段HXD3C、西局西段HXD3D

临汾—孟塬:太局太段HXD3C、西局西段HXD3D