广州至香港九龙的广九铁路，始建于1907年，全长180.8公里。其中：广州至深圳段铁路称为广深铁路，长147.3公里；罗湖桥至九龙段铁路称为香港铁路，隶属香港九广铁路公司，长33.5公里。广九铁路与京广铁路连接，是中国内地通往香港的唯一铁路通道。

为适应中国改革开放和深圳经济特区建设的需要，经国务院批准，1984年1月1日广深铁路从原广州铁路局广州铁路分局划出，成立广深铁路公司，直接隶属于广州铁路局，1992年更名为广深铁路总公司。1993年2月8日，广州铁路局改为广州铁路（集团）公司，广深公司为集团公司的全资子公司。

1994年，广深公司作为全国22家股份制改造试点企业之一，经过两年的股份制改造，1996年4月9日，广深铁路股份有限公司作为中国铁路第一家股份制企业正式挂牌成立。同年5月13日、5月14日，公司股票分别在美国纽约交易所、香港联交所挂牌上市，筹集资金净值42.12亿元。

1987年底，广深铁路双线建成通车。1991年经国务院批准，广深准高速铁路立项；1994年12月23日，准高速线路改造和增建第三线工程正式投入运营。1998年5月28日，广深线准高速电气化工程竣工，8月28日正式投入运营。经过电气化改造，2000年9月，第三线电气化竣工通车，成为全国第一条的三线并行、全线封闭、全程电气化铁路。

2006年12月22日，广深铁路A股股票在上海证券交易所挂牌上市。此次向社会公开发行人民币普通股（A股）约27.5亿股，每股发行价为3.76元，共筹集资金103亿元，广深铁路运用筹集资金收购母公司所拥有的广州至坪石段铁路运营资产及业务，已于2007年1月1日实施了收购。收购完成后，公司营运里程由152公里延长至481.2公里，纵向贯通广东省全境，由区域铁路进入全国骨干网络。

2007年4月18日，广深Ⅰ、Ⅱ完成提速改造后时速可达200公里，成为全国第一条城际公交化客运专线；广深Ⅳ线建成通车后，广深线成为全国第一条四线并行且客货分线运行的铁路。

2009年2月20日，广深铁路与中国工商银行联合推出广深铁路牡丹信用卡；3月20日，广深铁路推出广深铁路快通卡。广深铁路牡丹信用卡和快通卡的发行，使持卡旅客无需排队购票而直接刷卡乘车，进一步完善了广深铁路城际公交化运营模式。

2009年5月1日开始，广深线“和谐号”动车组采取“站站停”运输组织新模式。这是广深铁路为适应广深城际公交化运输要求，进一步优化运输能力，创新服务品牌所作出的又一重大举措。