2018年4月8日，沈阳地铁2号线北延线二期4站开通试运营。12月25日，沈阳地铁2号线南延线获中华人民共和国国家发展和改革委员会批复。

2019年8月30日，沈阳地铁2号线南延线开始建设。

2021年5月28日，沈阳市民政局发布《关于沈阳地铁四号线一期和二号线南延线车站命名的公告》：地铁二号线南延线7座车站名称为：沈本大街站、沈中大街站、省博物馆站、中央公园站、创新一路站、综合保税区站、桃仙机场站。10月22日，沈阳地铁二号线南延线二标全运三路站至市民广场站盾构区间右线顺利贯通。12月14日，沈阳地铁二号线南延线一标全沈区间双线贯通，标志着全线3.366公里的二号线南延线单标段最长盾构区间顺利完工，项目工程建设取得突破性进展。12月29日，随着盾构机破土而出，沈阳地铁2号线南延线综合保税区站至桃仙机场站双线贯通。

2022年8月15日，沈阳地铁2号线南延顺利实现“轨通”。12月29日，沈阳地铁2号线南延线实现全线“电通”。

2023年2月18日，沈阳地铁2号线南延线正式进入信号系统动车调试阶段。4月23日，沈阳地铁2号线南延线工程桃仙停车场接触网一次送电成功。5月15日，沈阳地铁2号线南延线和沈阳地铁4号线试运行列车从文官车辆段、航天南路停车场和桃仙停车场缓缓驶出，双线同时启动试运行。7月8日，沈阳地铁2号线南延线信号系统顺利完成贯通接入。8月12日，沈阳地铁2号线南延线工程开展防灾安全热烟测试。9月29日，沈阳地铁2号线南延线正式开通运营。

截至2018年4月，沈阳地铁2号线日均客流50万人次。2018年4月8日，沈阳地铁2号线单日客运量56.6万人次。

2023年11月7日，沈阳地铁2号线单日客运量57.6万人次。

沈阳地铁2号线列车车体为B2型车体，在外部造型、装饰和车头设计上具有现代城轨列车的造型特点，列车采用流线型车头设计。车体基础结构设计成薄壁筒型的整体承载结构，底架、侧墙、端墙、车顶和司机室等均承受载荷。车体结构具有足够的强度以承受车辆运用过程中的各种载荷，并在确保车体有足够的强度和刚度的前提下实现了车体的轻量化。

沈阳地铁2号线列车采用自动控制系统（ATC），行车指挥自动化是利用电子计算机控制调度集中设备，指挥列车运行的一种自动远程遥控设备。在行车控制自动化时，自动闭塞为基本闭塞法。同时采用美国USSI公司基于无线通信的移动闭塞列车控制系统（CBTC），该系统由列车自动监控系统（ATS）、区域控制器（ZCs）、数据存储单元（DSU）、联锁控制器MicroLok II、本地车站控制ATS工作站、Microlok II本地控制工作站（LCW）、车载控制器（CC）子系统、数据通信系统（DCS）等子系统和设备组成。沈阳地铁1号线的CBTC有车载控制器负责列车安全定位，检测查询应答器，用测速器和加速度计更新列车的安全位置。该安全位置通过数据通信系统（DCS），传输到区域控制器（ZCs）以及列车自动监控系统（ATS）。

沈阳地铁2号线特色站包括：省博物馆站、中央公园站、桃仙机场站，结合车站周边元素，同时将中华优秀传统文化、城市文化融入设计，在色彩使用和造型上更加丰富。

沈阳地铁2号线开通后，对于缓解和改善沈阳市交通紧张状况将起到明显的作用。沈阳地铁2号线沿金廊走行，连接2013年全运会主赛场、北站综合交通枢纽等沈城重要地区，将为全运会期间沈阳市区内庞大客流的集散提供强有力的保障。（沈阳公交网评）

沈阳地铁2号线南延线北起沈阳地铁2号线一期工程终点全运路站南端，南至桃仙机场T3航站楼东侧的桃仙机场站，建成后，将有效连接沈阳北站和桃仙机场两个一级交通枢纽，进一步发挥“空铁联运”作用，对完善沈阳城市轨道交通网络，有效缩短浑南区与主城区的时空距离，加快提升桃仙机场综合交通枢纽服务水平，进一步促进和带动浑南区和临空经济区的发展等均有深远的意义。