2005年开始，甘肃省、四川省、重庆市、铁道部共同商议合资建设兰渝铁路。

2007年5月12日，中国国家发展与改革委员会正式批复通过新建兰州至重庆铁路项目建议书，标志着兰渝铁路获国家正式立项。

2008年，兰渝铁路有限责任公司正式成立。同年9月26日，时任国务院副总理张德江在甘肃省兰州市沙井驿出席开工动员大会并宣布兰渝铁路正式开工。

2014年8月8日，兰渝铁路高南支线（南充东站至高兴站）正式开通。

2015年1月1日，兰渝铁路重庆北至渭沱段开通运行；11月17日，兰渝铁路桃树坪隧道贯通；12月30日，兰渝铁路广元至重庆北段正式开通。

2016年5月15日起，兰渝铁路广元至重庆段开行动车组列车，最高时速200千米。同年6月28日，兰渝铁路兰州至夏官营段通车；7月18日，兰渝铁路木寨岭隧道贯通；12月26日，岷县至广元区段正式投入运营。

2017年6月19日，胡麻岭隧道胜利贯通，兰渝铁路实现全线贯通；9月9日，兰渝铁路供电工程全线完成试运行，进入正式供电阶段；9月29日，兰渝铁路岷县至夏官营段开通，自此，兰渝铁路全线开通运营。

2018年1月16日，兰渝铁路全线双线完全贯通。

2019年1月8日，兰渝铁路全线正式开行动车组列车。

2022年2月，兰渝铁路集中修道岔设备整治大会战全面展开。

2023年10月，兰渝铁路(重庆北至渭沱段)启动为期50余天的首次大修整治，主要对铁路桥梁通信、信号电缆槽等电缆设备进行更换施工作业，全面提升电缆安全能力。

2024年3月，汉巴南高铁主线成功接入兰渝铁路。

2024年4月10日至5月29日，兰渝铁路甘肃段首次开展集中修施工。

截至2016年4月，兰渝铁路主线设兰州西站（兰州东站接轨）、夏官营站、张家庄站、杨家川站、渭源站、漳县站、岷县站、哈达铺站、宕昌站、沙湾站、陇南西站、陇南站、桔柑站、洛塘站、姚渡站、羊木站、广元站、广元西站、太公站、苍溪站、阆中站、南部站、龙桂站、南充北站、南充东站、南充西站、李渡站、武胜站、渭沱站、合川站、北碚北站、蔡家站、重庆西站等34座车站。

截至2015年8月，兰渝铁路高南支线设有广安站、高兴站、岳池站、广安南站4个客运车站。

兰渝铁路穿越甘、陕、川、渝三省一市；主线始于中国甘肃省兰州市兰州枢纽，沿途经过甘肃省定西市、陇南市，陕西省汉中市，四川省广元市、南充市、广安市，重庆合川区等行政辖区，终点到达重庆枢纽；线路大致呈南北走向。

兰渝铁路高南支线（南充至高兴段），为从南充引出经广安市修建的单线铁路；位于四川省南充地区和广安地区境内，线路北起达成铁路南充东站，向东南方经岳池县、广安市后，止于襄渝铁路高兴站。

兰渝铁路兰州站至北碚北，新建双线长度819.975千米，其中兰州至广元段（不含）491.437千米，广元（含）至重庆段328.538千米。兰渝铁路兰州至重庆北新建双线中甘肃境内长436千米，陕西境内长15千米，四川境内长302千米，重庆境内长67千米。另南充至高兴段单线94千米位于四川境内。

截至2017年9月，兰渝铁路经过的22个市县区中，有13个国家扶贫重点县、4个省级扶贫重点县。

2019年12月，时速160公里的复兴号CR200J型电力动车组在兰渝铁路上线运行。

2016年5月15日起，兰渝铁路重庆至四川广元段将首次开行动车组，从成都到广元只要3.5小时。

2018年9月29日，兰渝铁路全线开通一周年，经由兰渝铁路的客运列车，从全线开通初期的每天8对，增加到22对。

2019年1月8日，兰渝铁路全线正式开行复兴号CR200J动车组列车。

2015年1至7月，兰渝铁路高南线完成货物发送76万吨、到达158万吨；完成旅客发送191万人。

2017年10月底，兰渝铁路全线开通一个月，中国铁路兰州局集团有限公司管段共发送旅客31.78万人次，日均发送旅客1.06万人，始发上座率达116.2%；发送货物92万吨。

2018年9月29日，兰渝铁路全线开通一周年，中国铁路兰州局集团有限公司经兰渝铁路共发送旅客520.6万人、发送货物1124万吨。

兰渝铁路建设预计工期6年，后工期延后3年，核心原因是地质因素。兰渝铁路穿越区域性大断裂10条、大断层87条，所经地区地震、暴洪、泥石流灾害多发，号称“地质博物馆”。兰渝铁路通过的黄土高原区和秦岭高中山区，位于青藏高原隆升区边缘地带，在区域地质上位于华北、扬子、青藏（柴达木、羌塘等）诸小板块相互汇集部位，地质环境极为复杂特殊，施工难度极大、风险极高。

兰渝全线存在着四大高风险隧道群：第三系富水粉细砂层隧道群、高地应力软岩大变形隧道群、高瓦斯隧道群、岩溶突泥突水隧道群。其中甘肃境内地质最为复杂，尤其是第三系富水粉细砂层地质和高地应力软岩大变形地质极大地影响了隧道的开挖和掘进，设计、施工难度不仅在技术上是巨大的挑战、安全上压力巨大，也带来了工期上的风险。

胡麻岭隧道全长13.61千米。该隧道穿越一座水库和一条河流，有3.25千米穿越第三系饱和富水粉细砂地层，形成众多大小不等的水囊，受施工扰动的影响，围岩液化现象十分严重，突水涌沙等安全隐患突显。施工初期单个掌子面月掘进在10米间波动，施工进度严重滞后，被列为重难点工程，被中国国内外专家定性为“国内罕见，世界难题”。2017年6月19日10时，历经8年施工，兰渝铁路最后一座隧道胡麻岭隧道胜利贯通，为全线通车扫清了最后障碍。

木寨岭隧道被称为中国全国铁路高风险隧道之最，是全线地质条件最差的隧道。该隧道位于定西市岷县境内，为极高风险双洞单线分离式特长隧道，全长19.1千米。隧道地处震区，地层条件非常复杂，穿越11条断裂带，处于极高地应力区域，所属区地震基本烈度达7度，为极高风险隧道，也是兰渝铁路建设关键控制性工程。2016年7月18日，木寨岭隧道全线贯通。

西秦岭隧道是兰渝铁路全线最长的一段隧道，全长28.238千米，穿越西秦岭山区，位于甘肃省陇南市境内，是兰渝铁路建设项目中最关键的环节，是全线性控制工程。

西秦岭隧道为双洞单线隧道，是中国国内在建铁路第二长隧、单线贯通第一长隧，也是中国国内TBM施工断面最大、掘进距离最长、最先采用连续皮带出砟下衬砌并行施工、最先实现连续皮带机整体转场及正洞连接斜井出砟的铁路隧道。洞内地质复杂、石质破碎，穿越与汶川大地震同一地震带。该隧道被列为全线头号重点控制工程，设计建设工期65个月，于2014年7月19日全线贯通。

新城子隧道全长9164米，位于青藏高原东北缘复杂特殊的地质构造环境带，地震活动频繁，地应力极高，围岩主要为三叠系炭质板岩，极其破碎，成洞困难，是典型的高地应力软岩大变形隧道。该隧道受临江铺车站进洞影响，结构特殊，由两个双线断面转变成两单断面，再由双连拱断面变成大跨断面，最后变成双线断面。左右洞施工相互干扰大，后洞施工引起前洞已成型初支、二衬开裂；大跨最大开挖断面350平方米，为世界在建铁路隧道之最；该隧道地质和大断面属中国国内罕见、世界级施工难题。

2016年5月31日8时许，新城子隧道在全线三大重难点隧道中率先实现顺利贯通，标志着中国在高地应力大跨断面隧道世界性施工难题上取得重大突破。

兰渝铁路白龙江3号特大桥位于陇南市武都区两水镇内，全长10903.47米，为兰渝铁路最长桥梁。全桥共332孔梁，其中简支梁327孔，全桥共有墩台332个，高度在3.5～29米之间。其中56米系杆拱桥跨越兰海高速两水东出口，将拱与梁两种基本结构形式组合在一起，造型美观、结构合理、跨越能力强，兼容人文景观和自然景观协调之美，施工具有安装精度、焊接及混凝土浇筑工艺要求高的特点。

兰渝铁路是中国国家《中长期铁路网规划》中西北至西南区域间客货并重的大能力运输新通道，是中国铁路网的重要组成部分。兰渝铁路北连兰新、包兰、兰青、陇海铁路，形成重庆、四川等北上的快速通道，推动西南地区加快融入丝绸之路经济带；中间与宝成、西成、达成、襄渝等铁路相接，并通过宝成、成昆、遂渝等铁路串起重庆、四川云南地区，东接渝怀、沪汉蓉铁路，打通了西北、西南地区融入长江经济带的运输通道；南下与渝贵铁路相连，形成兰州至广州的南北铁路大干线，成为中国西部连接沿海地区、融入21世纪海上丝绸之路的新通道。（腾讯网 评）

兰渝铁路的建成通车不仅能够强化和完善中国西部区域铁路运输网结构，大大缩短西北、西南地区间的运输距离及旅行时间，还能极大地改善兰州、陇南、广元、南充、重庆等地的交通区位，使沿线地区与西北、西南、华东、华南地区的联系更为紧密，形成“南北联系顺畅，东攀西联方便，交通四通八达”的优良交通运输环境。（腾讯网 评）

兰渝铁路也是精准扶贫的长大干线，沿线22个县市区中分布着六盘山区、秦巴山区的十多个国家扶贫重点县。随着全线开通运营，沿线丰富的农牧业资源、有色金属资源、煤炭矿产资源有了廉价、快速的铁路运输通道，从而加速沿线地区经济发展、加快沿线群众脱贫致富。（北青网 评）

2022年11月，入选“2022中国新时代100大建筑”的最终名单。