1898年，中英公司與清政府取得專利權，興建一條連線九龍與廣州的鐵路。經過商議，決定該鐵路分成中英兩段，由中、英兩國政府分頭建設。及後，港英政府於1905年決定把這個計畫付諸實行。鐵路測量工作遂由一組英國工程人員負責，經研究後提出兩條可行路線來連線九龍和邊界。其一為開闢一條鑿通筆架山長約24公里的隧道，沿吐露港海岸而建；另一條為沿新界西面，經青山灣，但仍須開鑿數個較短之隧道。1906年初，第一個提議獲接納，該線全長35.4公里，建築工程隨即展開。而華段由邊境深圳至廣州大沙頭的工程卻尚未展開，直到英國貸款150英鎊給清廷，才於1907年動工，該線全長143.2公里。
九廣鐵路英段於1910年10月1日啟用，建築費達130萬英鎊。當時由九龍總站開始，只有五個站，包括油麻地、沙田、大埔、大埔墟旗站及粉嶺。
1911年10月14日，廣九直通車舉行通車儀式。當天，剛好是武昌起義爆發後的第4天，出席儀式的仍是滿清官員。廣九直通車收益分配的契約在1914年訂立，這卻是由民國政府經手的了。這條鐵路華方路長占80%，英方路長占20%，可是，根據契約規定，收益卻不是按8比2分配的。當時，華方只占收益的65%，英方占35%。而1911年直通車的票價是：頭等港幣5元2角，二等2元5角，三等1元3角半。
九廣鐵路的總站屢有更改。最初，總站設在油麻地，這是因為當時尖沙咀大半地方丘陵起伏，英國以防衛為理由，將尖沙咀至九龍城的大片土地，劃為歐人住宅區。後來，在興建鐵路時，將阻隔油麻地和紅磡之間的小山劈開，以鋪設路軌。開山的泥傾倒在尖沙咀和紅磡間的海岸，填出土地興建漆鹹道和梳士巴利道，就索性把總站改在尖沙咀梳士巴利道末端，這已是1916年的事了。不過，鑒於尖沙咀火車總站附近是商業發展區，港英政府又有意把總站遷至紅磡，幾經耽擱，終於1975年實現計畫，紅磡便成為九廣鐵路總站一直到今天。
修建九廣鐵路共耗資百萬，花費確實不少，但效益卻很可觀。因為採用了標準軌距，鐵路能與粵漢鐵路、京漢鐵路以及京瀋鐵路、中東鐵路接通，使香港與內地的鐵路網連成一個整體，大大方便了香港與內地間的交通，加速了原材料和商品的進出口流通，香港的轉口港地位得到了進一步鞏固和發展。
自1949年10月14日起，直通車一度中止服務，羅湖遂成為英段終站，通往廣州之直通客車服務於1979年4月4日才恢復。
