2000年6月，中铁第一勘察设计院集团有限公司编制完成了《西安至延安铁路扩能改造工程预可行性研究报告（送审稿）》上报中华人民共和国铁道部。

2003年5月至6月，西延铁路扩能改造工程从既有线提速改造和全线增建第二线及生产力重新布局等方面进行了方案研究。

10月21日，中华人民共和国铁道部计划司在北京主持召开了西延线扩能改造补充方案论证会，经各方充分论证后，采用近期延安北至钟家村段单线扩能，张桥至新丰镇段增建第二线的应急措施。

2004年3月29日，中华人民共和国国家发展和改革委员会批准西安至延安铁路扩能改造工程立项。7月，中华人民共和国国家环境保护总局批复《西安至延安铁路扩能改造工程环境影响报告书（报批稿）》。

7月，中华人民共和国铁道部印发《关于西安至延安铁路扩能改造工程钟家村至新丰镇初步设计的批复》。

9月，西安至延安铁路扩能改造工程钟家村至新丰镇段正式开工建设。

2005年6月，由于西安至延安铁路扩能改造工程纳入包西铁路通道，且设计标准提高，已开工程全面停工。

2006年2月，中华人民共和国铁道部批复《西安至延安铁路扩能改造工程张桥至新丰镇段增建第二线Ⅰ类变更设计》，同意建设单位复工建设，取消钟家村站至张桥站间增建第二线工程（归入包西线），张桥至新丰镇最小曲线半径从1200米变为2800至3500米。

11月，中华人民共和国国家环境保护总局批复《包西铁路通道大保当至张桥段环境影响报告书》。

2007年6月，包西铁路张桥至新丰镇增建二线开通试运营。11月25日，包西铁路陕西段建设动员大会在清涧站举行，标志着包西铁路陕西段开工建设。

2008年8月7日，沙西沟2号隧道贯通，标志着包西铁路陕西段首座隧道贯通。

2010年4月22日，10240米长的庆兴隧道顺利贯通。

2010年4月28日，全长3668米的辛店隧道顺利贯通。

2010年4月30日18点25分，最长的双绕段K327+659.92～K328+500、K329+100～K330+338.11双绕段比计划时间提前20分钟一次性拨接成功。

2010年6月29日，包西铁路蒙陕省界至大保当段开通运营。10月23日，包西铁路大保当至鱼河段开通运营。12月28日，包西铁路陕西段首发货物列车从延安站驶出，包西铁路陕西段开通运营，标志着包西铁路全线交付使用。

2011年1月4日，根据中华人民共和国铁道部《关于包西线开办客货运输试运营有关事项的通知》（铁运电[2011] 12号），将新建包西线罕台川北至大保当段、甘泉北至张桥段与既有包西线包罕段、大保当至甘泉北段、张桥至新丰镇段重新公布为包西线，其中张桥至新丰镇段为国铁，包头至张桥段为国铁控股合资铁路，包头至新街段属新包神铁路有限责任公司，新街至张桥段属陕西西延铁路有限责任公司。

既有包西线大保当至神木北段线路命名为神大线，既有包西线甘泉北至钟家村段线路命名为甘钟线。

1月11日，包西铁路开始客运业务。

2023年11月6日9时，闫家沟线路所最后一组重达80吨、长达60米的道岔插铺顺利完成，标志着浩吉、包西铁路实现互联互通，陕煤外运再添新通道。

包西铁路起自内蒙古包头站，经鄂尔多斯市、榆林市、延安市至西安新丰镇站。包头至大保当段239.8千米新建双线，大保当至甘泉北段355.3千米增建二线，甘泉北至张桥段205.8千米新建双线，并同步实施包头、西安铁路枢纽配套工程。

包西铁路包头至大保当段位于内蒙古中南部、陕西省北部，北起京包铁路包头枢纽，向南经内蒙古自治区鄂尔多斯市达拉特旗、东胜区、伊金霍洛旗、陕西省榆林市神木县，终至大保当站，线路全长236.67千米。

包西铁路大保当至张桥段位于陕西省境内，自北向南纵贯榆林、延安、渭南三市，线路北起大保当站，向南依次经榆林、米脂、绥德、清涧、子长、延安、甘泉、富县、黄陵、蒲城等市县，至张桥站，工程正线全长561.644千米，大保当至延安段增建二线322.688千米，延安至张桥新建双线238.956千米。

2011年1月11日，随着K1117次旅客列车汽笛一声长鸣，包西铁路正式迈出了客运业务的步伐。与此同时，原铁道部实行新一轮的运行图调整，在这次调图中，包西铁路正式加入了中国铁路客运大家庭。

调整运行区间列车

1.邯郸~包头K218/9、K220/17次于包头与石家庄之间改为包西线、太中银线、石太客运专线运行。

2.1674/3次变更为呼和浩特经由包头至西安，线路调整为途经京包线、包西线。

3.北京西～西安Z19/20次改经由石太客专、太中、包西线运行。

4.北京西～西安Z53/4次改经由石太客专、太中、包西线运行。

5.北京西～西安T41/2次改经由石太客专、太中、包西线运行。

6.北京西～延安T43/6、T45/4次改经由石太客专、太中、包西线运行，运行区段变更为北京西～西安，车次变更为T43/4次。

7.天津～西安K213/4次改经由石太客专、太中、包西线运行。

8.北京西～包头1115/6次改经由京九、石德、石太客专、太中、包西线运行，变更为快速旅客列车，车次为K1115/8、K1117/6次，呼和浩特局担当。

新增列车

太原~包头2681/2次列车，经太中银线，包西线运行，使用非空调车底，由太原铁路局担当；包头~西安1091/2次普客列车，经包西线运行，由西安局担当。

2012年7月1日，包西铁路西延段开行动车组：西安铁路局使用一组CRH2A型列车开行一对往返于西安与延安之间的动车组，西安北—延安区间运行2个半小时，一、二等座票价分别为115元和96元。

由于西延动车上座率高，运营情况良好，自2012年10月12日起，西安铁路局增开一对西延动车组，原来的一对列车运行时刻也相应的作出调整。最新的西延动车运行时刻如下：

包西铁路目标时速160千米，预留时速200千米条件。

包西铁路由铁道部和陕西省政府共同投资兴建，是国家“十一五”和《中长期铁路网发展规划》的重点工程，是中国铁路网八纵八横主骨架包(头)柳(州)大通道的重要组成部分。

据西安铁路局西安重点工程指挥部指挥长张跃新介绍，包西铁路陕西段北起陕西、内蒙古交界，南至太西线的张桥车站，纵贯西安、渭南、延安、榆林四个城市的18个区县，全长624.6千米，其中有隧道94座，特大桥70座，为国家一级双线电气化铁路，铁路速度目标值每小时160千米/小时(西延段200千米/小时)。

工程投资总额为167.3亿元，建设工期36个月，由西安铁路局负责承建。开通运营后，年货物运量达到5500万吨以上，旅客列车将达到17对以上，完全能够满足当前及今后一段时期的运输需要。

包西铁路内蒙古段全线建有双线特大桥16座和大桥19座、涵洞185座、隧道4座，其中飞跨黄河的特大桥全长3918米，距水面最高处27.5米，乌兰木伦河特大桥最高墩55米，活沙兔隧道全长4254米。

包西铁路省大段处于沙化地区，并穿越毛乌素沙漠，面临风积沙路基修筑防护难题。

冒天山隧道全长14.915千米，是包西铁路第一黄土长大隧道；隧道地处黄土高原梁沟壑区，地质结构复杂、安全隐患多。

黑龙沟大桥全长466.26米，孔跨布置为9跨48米简支箱梁，以兼有陕西段最深桩基、最高墩而成为包西铁路全线控制工程。该桥基础采用钻孔灌注桩，桩基最深75.米，最高墩达65米。

2010年4月，黑龙沟大桥主体全部完工。

桑树湾隧道全长5178米，是包西铁路第三长隧，也是全线地质最复杂、工期最紧张、施工难度最大的一座隧道。

2008年3月15日，桑树湾隧道开工。2009年12月19日，桑树湾隧道贯通。

新宝塔山隧道于2008年4月开工，全长2166米，属于陕北黄土高原梁峁沟壑地貌，地势陡峻，地形起伏较大，是包西铁路地质最复杂的隧道之一。

2010年2月6日，新宝塔山隧道贯通。

新九燕山隧道是包西铁路全线的头号重点控制性工程，位于延安市宝塔区与甘泉县交界处，全长9383米，开挖宽度达12.8米。隧道穿越土质极其松散破碎的大面积黄土地带和9段地质条件极其复杂的含水量十分丰富的滑坡体。同时，新九燕山隧道还要下穿甘钟铁路洪市沟二号隧道，新建隧道拱顶与原有隧道底部的距离只有7.8米。

2010年5月25日，新九燕山隧道1#、2#斜井正洞贯通。11月21日，新九燕山隧道贯通。

黄河特大桥桥长3912.32米，其主桥采用了受力明确、抗震性能好、施工速度快的简支钢桁结构，是包西铁路控制性工程。

乌兰木伦特大桥桥长2611.94米，桥墩采用双线圆端型实体墩、空心墩两种，桥墩最高高度达48.5米。

该工程在施工中有四大难题：

一是北方冬季低温条件下施工；

二是高墩施工；

三是施工地段地处鄂尔多斯市高原毛乌束沙漠与库布奇沙漠之间，水资源紧缺，施工期间沙尘暴、暴风雪时有发生；

四是施工地区为世界高紫外线重灾区，自然环境十分恶劣。

2010年5月25日，乌兰木伦特大桥主体工程完工。

包头至西安铁路自内蒙古包头市至陕西西安市，由铁道部和内蒙古自治区、陕西省政府共同投资兴建，是国家“十一五”和《中长期铁路网发展规划》的重点工程，也是中国铁路网八纵八横主骨架包（头）柳（州）大通道的重要组成部分。为国铁一级双线电气化铁路，正线（包头至西安枢纽张桥站）全长800.9千米。

规划运输能力为客车25对/日，货运10000万吨/年以上。

包西铁路内蒙古段的贯通，对内蒙古西部地区煤炭外运，带动区域经济协调持续发展具有十分重要的意义。（中国水利水电建设集团公司 评）

包西铁路包神段的修建将贯通包柳通道，发挥通道整体路网功能，真正提高通道整体运输效率和效益。此外，它还将成为内蒙古鄂尔多斯和陕西神木地区煤炭外运的重要通路，是大秦铁路煤炭集疏运输的主要后方通路。（新华社 评）

包西铁路是国家“中长期铁路网规划”的重点建设项目，也是“十一五”国家铁路重点建设项目，是西北地区铁路网骨架的重要组成部分。

建成后将以煤炭运输为主、客货兼顾，是国家十三个大型煤炭基地中陕北、黄陇煤田煤运的重要通道。对促进陕北、黄陇两大煤炭基地大规模综合开发利用，加快陕西、蒙西能源化工基地建设，提升煤炭外运能力具有战略意义。它是连接京包、包兰、西康、陇海等重要干线的一条大能力铁路运输通道，在西部乃至全国铁路网建设中具有举足轻重的地位，同时也是陕北能源化工产品外运的主要通道。

包西铁路开通第一年，实现发送旅客四十万人次，同时带动了沿线旅游业发展，加强了文化交流。