北同蒲铁路，建于1933-1939年。线路由京包线上的大同车站向南引出，跨越桑干河、滹沱河及汾河三个流域，穿过云中山和舟山等分水岭，经朔州、阳方口、宁武、原平、忻州而达太原。在太原站与南同蒲铁路相接，直达黄河渡口风陵渡站，构成山西省境内南北交通主干道。

北同蒲铁路于1933年11月开工，1939年竣工。初建时为窄轨铁路，1938年改为标准轨距，并与全国铁路联网。北同蒲铁路沿线开发较早，山川壮美，物产富饶，民风淳朴，古迹颇多。

1957年1月25日，北同蒲铁路技术改造工程开始。太原铁路管理局放弃宁武至轩岗段家岭间90%的旧线路，另筑新线。新筑段家岭隧道长3345米，当时仅次于川黔铁路的凉风垭大隧道，为全国第二长大隧道，于1959年10月30日竣工。

20世纪80年代后期，北同蒲铁路进行大规模的电气化改造，部分线路进一步取直，曲线半径加大，增加站线，更换重型钢轨，线路通过能力进一步提高，行车设备更加现代化。1983年6月开工，1989年7月31日开通。1992年4月1日，北同蒲铁路全部废除蒸汽机车牵引，改由内燃机车、电力机车牵引，成为晋煤外运的主要干线之一。