武汉铁路局管内铁路起源于1893年5月张之洞在湖北省修建的大冶铁路，已有120年历史。新中国成立前，汉口和武昌曾先后8次设立铁路局（或相当局）。新中国成立后，民国期间，武汉地区铁路长江以北为汉口铁路分局，管辖至河南许昌铁路，隶属郑州铁路管理局，管辖河南省绝大部分城市铁路；长江以南为武昌铁路分局，管辖至湖南省长沙北铁路，隶属衡阳铁路管理局。1953年1月，武昌铁路分局并入汉口铁路分局，同时更名为汉口铁路运输分局。隶属郑州铁路管理局。

1958年10月1日，武汉第一次设局，称武汉铁路管理局。

1961年8月，长沙铁路管理局并入武汉铁路管理局。武汉局下辖汉口、信阳和长沙3个办事处。

1963年4月1日，武汉铁路管理局撤销，同时成立武汉铁路分局，管辖湖北省境内铁路，隶属郑州铁路管理局。

1966年6月1日，襄樊铁路分局成立，隶属郑州铁路局。

1971年7月1日，武汉第二次设局，称武汉铁路局。主要管辖湖北省境内铁路，下设武汉、襄樊2个铁路分局。1983年3月1日，武汉铁路局再次撤销，武汉、襄樊2个铁路分局隶属郑州铁路局。1987年3月，京广线孟庙以南至东篁店段和孟宝支线由郑州铁路分局划武汉铁路分局管辖。

2005年3月18日，铁道部决定撤销武汉、襄樊铁路分局，重新成立武汉铁路局，实行路局直管站段体制。2005年5月15日，南昌铁路局京九线淮滨至蔡山段、宁西线潢川北站至祖师庙站划归武汉铁路局管辖。

2010年11月15日，按照宜万线开通运营节点时间要求，武汉铁路局接管了宜万线指挥和施工两项权利，同时所有设备和技术资料全部移交到国铁，并顺利完成接触网试验。此举表明宜万线已经完成了基本建设项目，进入开通运营实质性阶段，武汉铁路局将全面负责该线路湖北段的维修、养护、运营和管理等职责。

2011年6月8日，因襄樊市更名襄阳市，原襄樊站、襄樊北站、襄樊北机务段、襄樊供电段、襄樊工务段、襄樊电务段等6个运输站段，冠以“襄阳”名号。原襄樊站管辖的襄阳站、襄樊东站，分别更名为襄阳南站、襄阳东站。

2011年11月22日，襄阳客运段 挂牌，宣告撤销5年的襄阳客运段恢复建制。

2012年7月1日，襄阳东站投入使用，武康二线所有配套工程全面完工。