Урочисте відкриття Одеської залізниці відбулося 3 (16) грудня 1865 року.

Регулярний рух на залізниці розпочато 4 (17) грудня 1865 року. Перша дільниця від Одеси до Балти була побудована в листопаді 1865 року, а у 1867-1869 роках була продовжена до Елисаветграду (Кіровограду) і Крюкова (на Дніпрі).

В 1870 році Одеса з'єдналася залізницею з Києвом та мережею залізниць, що існувала в Російській імперії.

Як самостійний механізм Одеська залізниця проіснувала 13 років і з 1878 року увійшла до складу акціонерного товариства Південно-Західних залізниць.

Крім перших ділянок Одеської залізниці в 1873 році була збудована лінія від Знам’янки до Миколаєва, а в 1876 році лінія Миронівка-Знам’янка з відгалуженням до Черкас.

На початку XX століття залізнична колія була продовжена від Миколаєва до Херсона. Таким чином, усі центри областей, які обслуговує Одеська залізниця, були зв'язані з залізничною мережею Росії.

Крім цих ліній були збудовані: в 1891 році - лінія Вапнярка-Христинівка- Цвіткове та лінія Козятин-Христинівка-Умань. В 1914 році - Бобринська-Одеса-Сортувальна та Бессарабська-Арциз-Аккерман. В 1916 році - Одеса-Овідіополь.

У 1936 році Одеська залізниця знову була виділена у самостійну одиницю, але у 1953 році у зв'язку з реорганізацією була об'єднана з Молдавською. В 1956 році знову роз'єднана, а у 1963 - знову об'єднана з Молдавською залізницею й до 1979 року носила назву Одесько-Кишинівської.

У 1979 році магістралі знову повернено первісну назву - Одеська залізниця, з її складу виділено самостійну Молдавську залізницю.

У 1960 році на залізниці введено тепловозну тягу, а у 1962 році почато рух на електротязі.

У 1967 році залізниця нагороджена медаллю "За оборону Одеси", у 1976 році - Орденом Трудового Червоного Прапора.

У 1972 році з Південно-Західної залізниці на Одеську був переданий Гайворонський відділок (вузька колія).

У 1978 році відкрито поромний комплекс Іллічівськ (СРСР) - Варна (Болгарія) та лінії Помічна-Долинська та Одеса-Застава-1-Іллічівськ-Поромна.

У 1984 році була розбудована лінія роз'їзд Кошково (ст. Чорноморська) - Берегова.

З 1992 року Одеська залізниця функціонує в складі "Укрзалізниці".

У 1993-2000 роках було реорганізовано Одеське, Шевченківське, Знам’янське, Херсонське відділення, на їх основі створено Одеську, Шевченківську, Знам’янську і Херсонську дирекції залізничних перевезень.

У 1997 році створені госпрозрахункові галузеві служби (господарства) в Управлінні залізниці.

У 1992-1999 роках електрифіковано та введено в експлуатацію дільниці Помічна-Котовськ-Вапнярка, Котовськ-Роздільна, Кучурган-Роздільна, Пересип- Одеса-Порт. Електрифіковано п'ять ліній у Південному парку станції Одеса-Застава-1. Протяжність електрифікованих ліній - 1734,9 км, що становить 43 % загальної протяжності залізниці. У даний час питома вага електротяги на магістралі - 85%, теплотяги - 15%.

У 1997 році в Іллічівському і Одеському морських портах відкрито нові зерноперевантажувальні комплекси.

У 1998 році на Одеській залізниці введено фірмове обслуговування пасажирів у приміських поїздах.

У грудні 1998 року-квітні 1999-го встановлено поромний зв'язок від Одеси до Поті та Батумі.

У 1999 році до складу залізниці ввійшли ділянки Рені та Болград Молдавської залізниці.

У 1997-1998 роках проведені роботи по відбудові й розвитку ділянки Долинська-Помічна.

В 1999 році, згідно із програмою "Укрзалізниці", на Одеській залізниці відкриті та працюють сервісні центри на вокзалах Одеса-Головна, Херсон, Миколаїв, Черкаси, Вапнярка.

Для поліпшення швидкості придбання квитків до будь-якої станції та у зворотному напрямку всі вузлові станції обладнані системою "Експрес-УЗ", а інші включено до диспетчерських терміналів.

У 2000-2001 роках проведено реструктуризацію господарств залізниці.

У 2002 році залізницю нагороджено золотою Георгіївською медаллю "Честь. Слава. Труд".

6 лютого 2003 року відкрито регулярний рух контейнерно-контрейлерного поїзда "Вікінг" за маршрутом Іллічівськ-Клайпеда.

1 серпня 2003 року відкрито регулярний рух швидкісного поїзда Київ-Дніпропетровськ з проходженням по дільниці Одеської магістралі від Миронівки до П’ятихаток.

У 2003 році побудовано новий вокзал на станції Роздільна, вокзали Олександрія, Цвіткове.

У 2004 році введено промислове телебачення на прикордонному переході станції Кучурган; участь залізниці у будівництві автобану Одеса-Київ; відкриття регулярного поромного сполучення Іллічівськ-Деріндже (Туреччина).

У 2000-2005 роках - технічне переозброєння та прискорений технічний розвиток господарств залізниці, розвиток колійного та енергетичного господарств у портах.

У 2002-2004 роках - одержання залізницею нагород за досягнуті результати діяльності від Міжнародного академічного рейтингу популярності і якості "Золота Фортуна".

У 2003-2010 роках - участь залізниці у міжнародних транспортних виставках, одержання дипломів.

У 2005 році - ведення робіт із впровадження автоматизованої системи комерційного обліку електроенергії (АСКОЕ).

У 2005-2010 роках - ведення робіт з освоєння нових АСУ й АРМ, введення в експлуатацію нових вітчизняних дизель-поїздів ДЕЛ-02 і електровозів 2ЕЛ-5, електровозів 2ЭС-5К, нових пасажирських вагонів, важких колійних машин, цифрових телефонних станцій «Фарлеп», цифрових каналів зв'язку на базі ВОЛЗ, заміна застарілих тепловозів 2ТЭ10 на модернізовані 2ТЭ116у, модернізація цехів і устаткування з ремонту локомотивів та вагонів, введення нових основних фондів у всіх господарствах залізниці.

У 2006 році - введення в експлуатацію нових вагонно-колісних майстерень у ВЧД Одеса-Застава-1.

У 2007 році - створення служби приміських перевезень, введення в експлуатацію нового будинку обчислювального центру.

У 2008-2009 роках - введення в експлуатацію нового колісного цеху в локомотивному депо Котовськ, модернізація й електрифікація ділянки Бурти-Користівка, будівництво нового вокзалу на станції Колосівка, модернізація ділянки Долинська-Миколаїв, - першої на напрямку Долинська-Миколаїв- Херсон-Джанкой, введення в експлуатацію дробеструминного устаткування у ВЧД Каховка.

У 2008-2010 роках - проведення спільної науково-дослідної роботи із ДНДЦ залізничного транспорту України по підготовці до збільшення пропускної спроможності залізничної інфраструктури портово-промислового вузла в районі М. Аджаликського лиману (порт Південний).

У 2009-2010 роках - беззмінне перше місце Одеської залізниці, займане в змаганні між залізницями України.

3 (16) грудня 2010 року - 145 років від дня урочистого відкриття Одеської залізниці.