Сооружение дороги началось в середине 1860-х годов. Концессию на постройку линии Рязань - Козлов правительство дало 12.03.1865 года, было создано Акционерное общество. Учредитель - Павел Григорьевич фон Дервиз. Движение по линии открылось в сентябре 1866 года. В том же году началось сооружение линии Козлов - Воронеж. Учредителем Общества Козлово-Воронежской дороги являлось Воронежское губернское земство. Подрядчик строительства - купец Самуил Соломонович Поляков. Регулярное пассажирское движение началось в 1868 году. С 1868 года велось сооружение линии Воронеж - Ростов, движение по которой было открыто в 1871 году. После этого дорога стала вторым железнодорожным выходом из Донбасса в центр Европейской части России.

Одновременно с 1866 года велось сооружений линий Орёл - Грязи, Грязи - Борисоглебск, Борисоглебск - Царицын. Движение поездов от Орла до Царицына началось в 1871 году. Линия от станции Грязи до станции Орёл и далее до станции Рига дала выход хлебному экспорту из Центрального Черноземья через порты Балтийского моря в Европу. С 1870-х годов по этой линии перевозилось до 15 000 000 пудов хлеба ежегодно. В 1869 году вступила в строй линия Козлов - Тамбов, в 1871 году Тамбов - Саратов. Ввод в строй этих линий играл крупную роль в развитии хлебного рынка России. В 1873 году произошло слияние Козлово-Воронежской линии и Воронежско-Ростовской линии в одну Юго-Восточную железную дорогу.

В 1874 по этим линиям дороги было перевезено свыше 15 000 000 пудов хлеба, в том числе к портам морей на экспорт - 7 000 000. С 1883 года начался выкуп железнодорожных линий в казну. 01.08.1893 году было учреждено Общество Юго-Восточных железных дорог, устав утверждён правительством в том же году. С середины 1890-х годов началось строительство железнодорожных линий от Харькова через город Лиски, город Бобров, город Новохопёрск к городу Поворино и далее на Ртищево (660 вёрст). Станция Лиски стала крупным железнодорожным узлом. В 1894 году было завершено сооружение линии Воронеж - Курск. С вводом в эксплуатацию веток Графская - Анна и Таловая - Калач (1896) сооружение Юго-Восточной железной дороги было в основном завершено. К 1913 году линии Юго-Восточной железной дороги протянулись от Рязани до Ростова и от Харькова до Царицына. Общая протяженность путей Юго-Восточной железной дороги составила 5148 километров, в том числе главных путей - 4019 километров.

В первые десятилетия советской власти дорога играла важную роль в восстановлении народного хозяйства и развитии индустриализации Центрально-Чернозёмного региона. Во время Великой Отечественной войны дорога обеспечивала продвижение фронтовых эшелонов и эвакуационные перевозки. Юго-Восточная железная дорога обслуживала Воронежский фронт, Юго-Западный фронт, Донской фронт и Сталинградский фронт с территорией около 400 000 км². В 1943 году её коллективу передано на вечное хранение переходящее Красное знамя Государственного комитета обороны и Красное знамя Наркомата путей сообщения СССР.

В начале 1960-х годов была проведена электрификация дороги. В 1964 году первыми на электротягу перешли линии Россошь - Лиски и Отрожка - Кочетовка с заходом в Воронеж. Электрификация завершилась к 1966 году.

После распада СССР в 1991 году конфигурация линий Юго-Восточной железной дороги подверглась изменениям.

Юго-Восточная железная дорога пролегает по территории Воронежской области, Липецкой области, Тамбовской области, Белгородской области, частично Курской области, Саратовской области, Пензенской области, Рязанской области, Тульской области. Связывает Донбасс, Северный Кавказ и Закавказье с районами Центра и Европейского Севера, Поволжья.

Основные направления деятельности: перевозки пассажиров, грузов, багажа; погрузочно-разгрузочная деятельность, ремонт, техническое обслуживание и эксплуатация железнодорожного подвижного состава; сопровождение и охрана грузов, багажа и ручной клади пассажиров; транспортно-экспедиционная деятельность; оказание услуг связи, информационных, маркетинговых, сервисных и других услуг; организация и эксплуатация логистических центров.

Основные грузы магистрали: железорудное сырьё, черные металлы, строительные материалы. Осуществляются перевозки продукции металлургических комбинатов, агропромышленного комплекса, нефти, цемента, химических и минеральных удобрений, промышленного сырья.

В состав дороги входят: 5 отделений - Ртищевское, Лискинское, Белгородское, Елецкое, Мичуринское, 14 локомотивных, 6 эксплуатационных и 10 грузовых вагонных депо, 21 дистанция пути, 11 путевых машинных станций сигнализации и связи, 10 дистанций электроснабжения; 19 междорожных стыковых пунктов по приёму и передаче грузов и вагонов; дорожный центр управления перевозками. На Юго-Восточной железной дороге находится около 3000 станций и вокзалов.

В разные годы железной дорогой руководили: Ф.М. Ткаченко (1936-1937, 1938-1942, 1943-1944), Н.П. Чаплин (1937-1938), А.П. Молчанов (1942), В.С. Левченко (1944-1950), Аркадий Васильевич Охремчик (1950-1953, 1959-1971), Н.Т. Закорко (1953-1959), В.П. Леонов (1971-1979), Анатолий Семёнович Голиусов (1979-1987), В.А. Шевалдин (1987-1990), Виктор Григорьевич Атласов (1991-1998), И.С. Васильев (1998-2000), М.П. Акулов (2000-2002), А.И. Володько (с 2002 года).