在北京地铁最初的规划中，只有一条环线--2号线 。后来，1999年调整规划后，出现了10号线的规划，但是只有一期的线路 。随着经济的发展，北京人口的增多，2号线太短，不能有效地调节客流的问题开始出现。
在2001至2002年，中国城市规划设计研究院和赛斯达公司为北京地铁进行了线网优化。这次优化提出了第二条环线的概念 。这次线网优化所进行的规划中，10号线和11号线一起构成了第二条环线。10号线走北边和东边部分，11号线则覆盖南部和西部。两条线在城市东南部的宋家庄站及西北部的蓝靛厂站(已取消)进行换乘;同时11号线向西北延伸至香山。
2003年12月27日，作为北京2008年奥运会的重点工程，10号线一期开工 。总投资131.9亿元。10号线一期东段曾在东三环和西大望路之间进行比选，但为了能更好地覆盖CBD，线路最终确定为沿东三环建设;而西大望路则建设14号线。但是，由于东三环地下并没有施工预留，设计方需要同时面对错综复杂的地下管网和东三环大量立交桥的桥墩基础结构 ，因此10号线提出了分离式岛式站台设计，车站纵向分成两个或三个平行的结构，再通过通道连接 。一期共有5座车站采用了这种结构 。
地铁施工过程中事故不断。先是2005年11月30日，22标段北土城站附近发生坍塌，造成水管断裂，一辆翻斗车被埋在土下;之后在2006年1月3日，东三环京广桥发生漏水事故，造成三环路面部分塌陷;同年2月27日，在太阳宫站到三元桥站区间发生起重机钢丝绷断事件，造成3名工人死亡;4个月之后，3标段海淀南路又发生坍塌，造成2名工人死亡;2007年3月28日苏州街站发生渗水塌方事故，造成6名工人死亡。
10号线一期于2008年7月19日同8号线一期(当时作为10号线工程的一部分，称为"奥运支线")、机场线一起开通，兑现了申办奥运会时关于乘坐地铁从机场到奥运村的承诺 。
在2007年出台的《北京市城市快速轨道交通近期建设规划(2007-2015年)》中，原11号线被并入10号线中，两线合并成为一条环线 。2007年12月28日，全长32.46公里的10号线二期工程开工 。总投资255亿元。虽然已经开工，但是设计仍然经历了很多变动。2009年8月，应沿线居民要求，在首经贸站与草桥站之间增设了纪家庙站 。而位于莲花桥站和六里桥站之间的马官营站则受到沿线居民反对而取消 。
2010年，铁道部又提出对丰台火车站进行改扩建，接入京广高铁，以缓解北京西站的压力 ，新站站址位于既有丰台站东侧 ，10号线孟家村站以北，前泥洼站以南。由于需要更改规划，两座车站于2010年5月停止施工 。规划部门提出将孟家村站、前泥洼站取消，合并至新丰台火车站地下，称作"三站合一"，这一方案会使附近居民出行受到极大影响，因此受到沿线居民，尤其是三环新城居民的强烈反对 。最终实施的方案中，前泥洼站(即现泥洼站)北移300米，孟家村站北移100米接驳丰台站 。丰台站地铁站位于丰台站南广场，地下站厅和丰台站地下出站大厅相连，同时又设置出入口为周边居民服务。风波过去之后，两站又遇到拆迁问题，泥洼站于2012年2月进场施工 ，而丰台站更是4月11日才开始施工 ，这使得2012年底10号线全线通车变得异常困难。虽然泥洼站6月封顶，丰台站施工方也力争年底具备通车条件 ，但是最终丰台站还是未能及时完工 ，10号线二期以一个缺口的环形开通运营--2012年12月30日，10号线二期"C"型分段开通 。此外，角门东站在2012年6月24日受到暴雨影响，河水倒灌进入地铁站 ，因而也只能暂缓开通 。这些区间和车站均于2013年5月5日与14号线西段一同开通 。
二期开通后，10号线的客流快速增长，超过1号线成为北京地铁客运量最大的线路 。同时，10号线东南段的客流压力猛增，虽然开行运行区间以一期区段为主的区间车，但一期东南端的双井站、劲松站仍然非常拥挤。为了缓解压力，每天早高峰从宋家庄站发出"大站快车"，在成寿寺站至潘家园站间通过不停车，直接到劲松站开始载客。这些列车在成环运营后取消 。
