1915年11月1日，涌别轻便线下生田园站~远轻站开业，新设远轻站。

1916年11月7日，留辺蘂站~远轻站的762mm轨距改为1067mm轨距，野付牛站~远轻站~社名渊站间统合至涌别轻便线。

1922年4月1日，常纹信号所变更为常纹信号场。9月2日，涌别轻便线改名为涌别线。11月4日，石北线新旭川站~爱别站，新设新旭川站、东旭川站、楼冈站、当麻站、伊香牛站、爱别站。

1923年9月1日，新设呼人站。11月15日，石北线爱别站~上川站开业，新设中爱别站、安足间站、上川站。

1927年10月10日，石北线改称为石北西线。石北东线远轻站~丸濑布站开业，新设濑王濑站、丸濑布站。

1929年8月12日，石北东线丸濑布站~白泷站开业，新设下白泷站、白泷站。11月20日，石北西线上川站~中越站开业，新设天幕站、中越站。

1932年10月1日，石北东线白泷站~中越站开业，新设上越站、奥白泷站、上白泷站。涌别线远轻站~野付牛站编入石北东线，新旭川站~野付牛站间改称为石北线。12月1日，网走站（初代）改为滨网走货物站，新设网走站（二代）。

1934年2月5日，上相内站和相内站改名为相内站和东相内站。

1942年10月1日，野付牛站改名为北见站。

1946年3月1日，下生田园站和安国站改名为上升田园站和生田原站。

1949年6月1日，石北本线移交日本国有铁道

1950年1月15日，旭野乘降所变更为西女满别站。10月1日，新设函馆站~网走站间的准急列车。

1951年7月20日，奔无加站改名为金华站。

1955年8月20日，留辺蘂站~北见站间开始运行内燃机车。

1959年9月22日，新设旭川站~网走站间准急列车。

1961年4月1日，石北线改称为石北本线。10月1日，新设函馆站~网走站间的急行列车。

1964年10月1日，新车网走站~函馆站间的特急列车。

1971年12月24日，全日本最后的由蒸汽机车牵引的急行列车大雪六号改由柴油机车牵引。

1972年10月2日，新设札幌站~网走站间的特急列车。

1975年5月31日，北见站~网走站间运行SL告别号列车。

1980年10月1日，客货混装列车全面废止，全线客货分离。

1983年1月10日，新旭川站~网走站间开始使用CTC系统。楼冈站、伊香牛站、中爱别站、天幕站、中越站、奥白泷站、上白泷站、下白泷站、濑户濑站、安国站、金华站、绯牛内站、西女满别站、呼人站无人化。

1984年2月1日，网走站~滨网走货物站间的货物支线废止，滨网走货物站废止。11月10日，东旭川站、当麻站、爱别站、安足间站、白泷站、丸濑布站、生田原站、东相内站、相内站、端野站、女满别站无人化。

1986年11月1日，东旭川站~北旭川货物站间的货物支线废止，新设南永山临时乘降所、西北见临时乘降所、爱野乘降所。

1987年4月1日，国铁分割民营化，石北本线由北海道旅客铁道继承。日本货物铁道在新旭川站~北见站间和美幌站~网走站间进行货物营业。南永山临时乘降所、西北见临时乘降所、爱野临时乘降所变更为站。北见站~美幌站间的货物营业废止。东旭川站~北旭川站间的货物支线废止。北日出乘降所、将军山乘降所、爱山乘降所、东云乘降所、旧白泷乘降所、伊奈牛乘降所、新荣野乘降所、生野乘降所、柏阳乘降所变更为站。

1990年9月1日，伊奈牛站废止。

2000年4月1日，新设西留辺蘂站。

2001年7月1日，天幕站废止，中越站、奥白泷站变更为信号场。

2002年4月1日，美幌站~网走站间的货物营业废止。

2006年3月18日，新荣野站废止。

2007年3月1日，绯牛内站~美幌站间发生列车脱轨事故，共有51人受伤。

2015年8月1日，大雨造成下白泷站~丸濑布站间路基流失。8月8日恢复运行。

2016年3月26日，上白泷站、旧白泷站废止，下白泷站、金华站变更为信号场。8月23日，台风蒲公英造成线路新旭川站起点53.100km处路基流失，70.061km处的排水设施被泥沙堵塞，76.690km处土坡被毁。10月1日线路再开。

2017年3月4日，常纹信号站废止。

2021年3月13日，北日之出站、将军山站、东云站和生野站废止。

2023年8月7日，奥白泷线路所~白泷站护坡因暴雨崩塌，上川站~白泷站中断。8月21日，上川站~白泷站再开。

标记 ●：停车

标记｜：通过

标记 ▲：部分列车停车

キハ183型、キハ261系5000型——特急“鄂霍茨克”、“大雪”

キハ54系500型

キハ40型

キハ150型

H100型

广域输送

札幌站~网走站的特急“鄂霍茨克”1天2班往返，旭川站~网走站的特急“大雪”1天2班往返，旭川站~北见站的特快“北见”1天1班往返。旭川站出发的特急“大雪”和特快“北见”与札幌站~旭川站间的特急“神威号”和“丁香号”组成关联时刻表，“大雪”与“丁香号”的特定班次可以同站台换乘。特急费用计算特例只能用于不出旭川站换乘石北本线或者函馆本线的特急。

旭川站~上川站

本区间位于旭川近郊区间，设置了1天8班往返的班次，除白天外1~2小时1班。普通班次大部分为旭川站~上川站，上行1班会直通远轻站，还设置有旭川站~东旭川站 · 当麻站 · 伊香牛站的区间班次。因为上川站不能进行列车夜间留滞，所以晚上有旭川运营所~新旭川站~上川站的回送班次。

上川站~远轻站

上川站~白泷站除了特急“鄂霍茨克”、特急“大雪”和特快“北见”外，普通班次1天1班往返，分别为上川站出发远轻站终着和远轻站出发旭川站终着。白泷站~远轻站普通班次1天2班往返。

远轻站~网走站

远轻站~北见站 · 网走站的普通班次1天4班往返，远轻站~生田原站区间班次1班往返。西留边蕊站以东以北见和网走为中心，有自西留边蕊站出发的2班往返列车。留边蕊站~网走站除白天外1~2小时1班，部分班次需要在北见站换车，部分班次直通抵达钏网本线知床斜里站或绿站。

2016年11月18日北海道旅客铁道发布了管内10条路线13个区间的未来经营展望，其中石北本线全线被列入“自社投入无法保证运输安全”的部分。而北海道旅客铁道预估石北本线全线设施与车辆改造预计将耗资171亿日元。因此北海道旅客铁道将会通过上下分离、提高运费等方法与沿线政府沟通。

2018年2月10日，北海道综合交通政策研究会发布相关内容，石北本线作为干线铁路将会得以保留，相关赤字会与沿线政府沟通，相关的货物运输企业需要缴纳更多的使用金额。

鄂霍茨克活化会议暨上川地方综合开发会议邀请日本货物铁道与北海道旅客铁道共同商议石北本线问题。日本货物铁道建议保留石北本线的货物输送功能，北海道旅客铁道建议废止1天利用人数低于3人的北日之出站、将军山站、东云站、濑户濑站和生野站，建议废止1天车辆通行量小于50辆且周边5km内有绕行线路的道口41个。如果按计划废止，一年将会节省资金4850万日元。

2020年3月6日，上川町同意町内东云站废止。

2020年12月9日，JR北海道宣布在2021年3月13日调整时刻表时废止北日之出站、将军山站、东云站和生野站，并宣布濑户濑站将交由地方自治体管理。