Днем рождения Свердловской железной дороги считается 14 октября (1 октября по старому стилю) 1878 года, когда открылось регулярное движение поездов на участке Пермь – Камасино (Чусовская) – Нижний Тагил – Екатеринбург.

В конце 1885 года была построена железнодорожная ветка Екатеринбург – Тюмень, которая в январе 1888 года была объединена с Горнозаводской дорогой в одну магистраль, получившую название Уральская железная дорога. Таким образом были соединены бассейны Камы и Оби.

В 1896 году было закончено строительство железнодорожной ветки от Екатеринбурга до Челябинска, соединившей Уральскую железную дорогу с Транссибирской магистралью. В конце XIX века дорога была проложена от Перми через Вятку до Котласа. Вначале 1900-х годов она стала именоваться Пермской, ее протяженность превысила 2100 верст.

В сентябре 1919 года к Пермской магистрали были присоединены Западно-Уральская, Богословская, Северо-Восточная Уральская и часть Омской. Протяженность дороги на 1 июня 1920 года составила 3891 версту. В 1919 году Народный комиссариат путей сообщения принял решение перевести управление Дороги из Перми в Екатеринбург.

За годы Гражданской войны железной дороге был причинен огромный ущерб: разрушено 226 мостов, 70 станционных зданий, выведен из строя подвижной состав. В 20-е годы 20-го столетия первоочередной задачей стало восстановление дороги.

Начиная с 30-х годов, железная дорога не раз была реорганизована. В 1934 году Пермская железная дорога разукрупнена на Пермскую и Южно-Уральскую. В 1936 году Пермская дорога переименована в железную дорогу им. Кагановича. Позднее - в 1953 году - Пермская и Свердловская дороги были объединены в Свердловскую железную дорогу с управлением в Свердловске.

В годы Великой Отечественной войны по важнейшей транспортной артерии страны на восток были эвакуированы сотни предприятий, а их продукция бесперебойно доставлялась на фронт. 
С окончанием войны нагрузка на железную дорогу не уменьшилась. Многие предприятия, эвакуированные из европейской части страны и оставшиеся на Урале, активно наращивали объемы производства. В этот период активизируется прокладка вторых путей, прежде всего, на главном ходу, осуществляется электрификация магистрали, повышается эффективность перевозок.

В 1960–70-х годах для освоения природных ресурсов северных регионов страны были проложены железнодорожные линии к основным центрам нефте- и газодобычи. В 1978 году, в год столетия магистрали, было образовано Сургутское отделение СвЖД.

В 2003 году СвЖД стала филиалом открытого акционерного общества «Российские железные дороги», которому были переданы функции реорганизованного министерства путей сообщения. В настоящее время Свердловская железная дорога входит в первую тройку крупнейших железнодорожных магистралей России. Её протяженность– более 7,1 тыс. км, развернутая длина – более 9,6 тыс. км. С запада на восток она протянулась на полторы тысячи километров, а в северном направлении пересекает Полярный круг.

За 9 месяцев 2015 года на СвЖД погружено 102,8 млн тонн грузов; с вокзалов и станций дороги отправлено 23,9 млн пассажиров. По итогам первого полугодия текущего года в бюджеты и внебюджетные социальные фонды перечислено 9,7 млрд рублей. Ежесуточно по магистрали курсируют более 100 пассажирских, 320 пригородных, 1250 грузовых поездов.