1899年11月15日，北海道官设铁道十胜线美瑛站~上富良野站开业，并新设上富良野车站。

1900年8月1日，北海道官设铁道十胜线上富良野站~下富良野站开业，并新设中富良野站与下富良野站。

1905年4月1日，北海道官设铁道十胜线营运移交给递信省铁道作业局。

1909年10月12日，十胜线和钏路线合并，旭川站~钏路站被更名为钏路线。

1913年12月10日，泷川站~下富良野站间的钏路本线开业，原下富良野站~旭川站间的路线分离而出并定名为富良野线。

1926年5月24日，十胜岳火山爆发，产生的大量泥流将富良野线的路盘与沿线桥梁淹没，导致美瑛站~上富良野站间的路段长期无法营运。9月10日，新设美马牛站，而隔邻的美瑛站则仍因泥流破坏之故无法通车。

1936年9月10日，新设千代冈站。

1942年4月1日，下富良野站改名为富良野站。10月1日，边别站改名为西神乐站。

1958年1月25日，客货混装运营结束，富良野线开始客货分离运营，同时柴油列车开始提供服务。3月25日，新设学田站、鹿讨站、西中站、北美瑛站、西圣和站、西瑞穗站、西御料站、神乐冈站。

1962年5月1日，急行“狩胜”开始途径富良野线。

1987年4月1日，国铁分割民营化，富良野线的营运由北海道旅客铁道继承，并同时废除富良野全线的货运服务，仅保存富良野货物站交由日本货物铁道经营。

1992年4月1日，美马牛、千代冈、西瑞穂、西御料等几个较小的车站取消了原本由他站派人代管的简易委托制，正式改为无人车站。10月1日，全线开始单人运营。

1996年9月1日，新设绿丘站。

1999年6月11日，新设只有在夏季时才搭造的临时车站薰衣草田站。

2006年4月1日，富良野货物站废止，货运业务整合到富良野站进行。

2010年10月10日，旭川站高架化。

2019年12月23日，由于根室本线受台风影响部分区间无法通行，日本货物铁道的货物列车在国铁分割民营化后第一次驶入富良野线。

标记 ※：只限营业期间中的日间时间带停靠

标记 ●：停车

标记 ▲：往旭川的一部分列车通过

标记 ◆：一部分列车通过（上下行皆然）

备注：

石北本线的正式起点是宗谷本线新旭川站，但旅客列车的运行系统上直通至旭川站。

H100型

DE15型——除雪、牵引旅游列车

510型——旅游列车“富良野・美瑛诺罗科号”

ナハ29000型——旅游列车“富良野・美瑛诺罗科号”

全线只有普通列车且单人运行。

旭川站~富良野站的全线列车12班，旭川站~美瑛站的区间列车7班，部分班次不停靠西中站、鹿讨站和学田站，早晚2班旭川站方向的列车会通过北美瑛站、西圣和站和西惠穗站。

作为旅游路线，每年6月~10月会开行旅游列车“富良野・美瑛诺罗科号”。

2016年11月18日，北海道旅客铁道以“自社无法继续维系”为理由，发表了关于辖区内10条路线13个区间的未来动向声明。北海道旅客铁道表示富良野线是“无法在保障线路安全等方面继续投入”的路线，因此会与沿线自治体商议通过提高运费、增加利用度、上下分离等方式继续维持富良野线运行。

2018年2月10日，北海道综合交通政策探讨会发表关于《北海道铁路网维护困难地区的现状》，其中就表示“单独依靠旅游业维持铁路线运营非常困难”，并希望沿线自治体和相关机构可以结合到一起，共同讨论沿线负担的划分，“尽全力保障线路运行”。