1985年5月1日开工，1990年9月1日开通。9月12日阿拉山口至哈萨克斯坦德鲁日巴之间线路完成对接，并于1991年7月20日开通国际间临时货运车次。1992年6月21日哈萨克斯坦方面开通阿拉木图至乌鲁木齐的国际旅客运输。1992年10月31日正式营运，12月1日正式开始国际运输。1993年4月3日中国方面开通乌鲁木齐至阿拉木图间的国际旅客运输，同时开通乌鲁木齐至阿拉山口间的国内旅客列车。

2008年电气化工程开工。2011年9月1日完工，成为中国首条穿越大风区段的电气化铁路。乌鲁木齐至精河段为国铁I级双线铁路，精河至阿拉山口为国铁II级单线铁路。

2023年11月16日，博乐至阿拉山口段复线通车。11月30日，兰新铁路精河至阿拉山口段增建二线双线电气化开通运营。