廣州至香港九龍的廣九鐵路，始建於1907年，全長180.8公裏。其中：廣州至深圳段鐵路稱為廣深鐵路，長147.3公裏；羅湖橋至九龍段鐵路稱為香港鐵路，隸屬香港九廣鐵路公司，長33.5公裏。廣九鐵路與京廣鐵路連接，是中國內地通往香港的唯壹鐵路通道。

為適應中國改革開放和深圳經濟特區建設的需要，經國務院批準，1984年1月1日廣深鐵路從原廣州鐵路局廣州鐵路分局劃出，成立廣深鐵路公司，直接隸屬於廣州鐵路局，1992年更名為廣深鐵路總公司。1993年2月8日，廣州鐵路局改為廣州鐵路（集團）公司，廣深公司為集團公司的全資子公司。

1994年，廣深公司作為全國22家股份制改造試點企業之壹，經過兩年的股份制改造，1996年4月9日，廣深鐵路股份有限公司作為中國鐵路第壹家股份制企業正式掛牌成立。同年5月13日、5月14日，公司股票分別在美國紐約交易所、香港聯交所掛牌上市，籌集資金凈值42.12億元。

1987年底，廣深鐵路雙線建成通車。1991年經國務院批準，廣深準高速鐵路立項；1994年12月23日，準高速線路改造和增建第三線工程正式投入運營。1998年5月28日，廣深線準高速電氣化工程竣工，8月28日正式投入運營。經過電氣化改造，2000年9月，第三線電氣化竣工通車，成為全國第壹條的三線並行、全線封閉、全程電氣化鐵路。

2006年12月22日，廣深鐵路A股股票在上海證券交易所掛牌上市。此次向社會公開發行人民幣普通股（A股）約27.5億股，每股發行價為3.76元，共籌集資金103億元，廣深鐵路運用籌集資金收購母公司所擁有的廣州至坪石段鐵路運營資產及業務，已於2007年1月1日實施了收購。收購完成後，公司營運裏程由152公裏延長至481.2公裏，縱向貫通廣東省全境，由區域鐵路進入全國骨幹網絡。

2007年4月18日，廣深Ⅰ、Ⅱ完成提速改造後時速可達200公裏，成為全國第壹條城際公交化客運專線；廣深Ⅳ線建成通車後，廣深線成為全國第壹條四線並行且客貨分線運行的鐵路。

2009年2月20日，廣深鐵路與中國工商銀行聯合推出廣深鐵路牡丹信用卡；3月20日，廣深鐵路推出廣深鐵路快通卡。廣深鐵路牡丹信用卡和快通卡的發行，使持卡旅客無需排隊購票而直接刷卡乘車，進壹步完善了廣深鐵路城際公交化運營模式。

2009年5月1日開始，廣深線“和諧號”動車組采取“站站停”運輸組織新模式。這是廣深鐵路為適應廣深城際公交化運輸要求，進壹步優化運輸能力，創新服務品牌所作出的又壹重大舉措。