1953年9月，中央軍委決定組建鐵道兵領(lǐng)導(dǎo)機關(guān)。9月9日，中央軍委命令：“志愿軍在朝鮮的6個鐵道工程師，正式劃歸軍委系統(tǒng)，與鐵道兵團現(xiàn)有的4個師、1個獨立團，統(tǒng)一編為中國人民解放軍鐵道兵。”從此，鐵道兵正式作為一個兵種列入中國人民解放軍的序列中。

1953年12月25日，毛澤東專門接見了即將出任鐵道兵司令員的王震，并親筆為《鐵道兵》報題寫了“鐵道兵”三個大字；1954年元旦，朱德也為《鐵道兵》報題詞：“為建設(shè)正規(guī)化、現(xiàn)代化的鐵道兵而奮斗！”

1954年2月28日，中央軍委主席毛澤東簽發(fā)命令，任命王震為鐵道兵司令員兼政治委員。3月5日，鐵道兵司令部正式在北京成立，機關(guān)設(shè)司令部、政治部、工程部、后勤部、干部管理部和計劃處、軍法處、財務(wù)處。

鐵道兵司令部成立時，編制10個師、1個獨立團、1所學(xué)校、2所文化速成中學(xué)，兵力10萬人。鐵道兵后來發(fā)展到3個指揮部、15個師、3個獨立團、2所院校，總兵力達(dá)到40余萬。 　　鐵道兵司令部成立后，根據(jù)國家的經(jīng)濟實力和鐵路修建的任務(wù)，中央軍委又多次對鐵道兵進(jìn)行了擴編和縮編。

1956年1月下旬，鐵道兵司令員王震與鐵道部部長滕代遠(yuǎn)簽訂了《鐵道兵執(zhí)行國家15年鐵路建設(shè)遠(yuǎn)景計劃》協(xié)議書。按照這個計劃，鐵道兵將新建鐵路63條，總長為23313公里，占全國新建鐵路的42％；修復(fù)鐵路7條，總長為965公里。

8月24日，國防部批復(fù)鐵道兵成立兩個軍，分別為中國人民解放軍鐵道兵第一軍、第二軍。據(jù)此，1956年9月1日鐵道兵第一軍正式組建，解放軍鐵道兵從此有了軍的建制。當(dāng)年11月23日，鐵道兵第二軍開始組建。在籌建過程中，1957年4月6日，國防部又發(fā)布命令撤銷了鐵道兵第二軍的番號。為此，鐵道兵第二軍停止了組建工作。

1959年初，國家開始縮減基本建設(shè)規(guī)模，許多鐵路建設(shè)工程縮減規(guī)模，有的停建。6月20日，總參謀部批準(zhǔn)鐵道兵進(jìn)行整編，定額為12萬人，下轄11個師、2所學(xué)校。鐵道兵領(lǐng)導(dǎo)機關(guān)總稱“鐵道兵兵部”。

1962年5月，國家把修建森林鐵路、公路的任務(wù)交給鐵道兵，于是鐵道兵又進(jìn)行了擴編。

1962年11月11日，周恩來在中南海西花廳召開會議，對鐵道兵的性質(zhì)、編制體制等問題做了重要指示。周恩來說，鐵道兵9000人的師，出工不到5000人，每年工作不到200天，這樣怎么行呢？軍隊搞建設(shè)也要為國家積累，要從性質(zhì)、編制上徹底加以改革。鐵道兵要按修鐵路的工程部隊性質(zhì)確定編制、工作制度。

會上，周恩來傳達(dá)了毛澤東對鐵道兵的意見：“鐵道兵是工程部隊性質(zhì)，無論平時、戰(zhàn)時，都是執(zhí)行工程任務(wù)，是工程部隊，不是戰(zhàn)斗部隊?！敝芏鱽磲槍﹁F道兵官多兵少、軍事訓(xùn)練和政治教育時間占用多，施工時間短等問題指出，鐵道兵軍官比例應(yīng)該是10％，新兵訓(xùn)練3個月，與作戰(zhàn)部隊?wèi)?yīng)有區(qū)別，每年施工220天，還應(yīng)該再多一些。

12月20日，中央軍委為鐵道兵增補10萬新兵。4個鐵道師各組建一個線路隧道團。鐵道兵參加的林業(yè)工程主要在吉林、黑龍江和內(nèi)蒙古三省區(qū)。此時，鐵道兵的總兵員達(dá)20．4萬人。

1964年5月30日，鐵道兵司令部向周恩來報告鐵道兵擴編10萬人修建林業(yè)鐵路的情況和體會。報告說，鐵道兵經(jīng)過精簡整編，軍官比例由22．1％降到9．95％，生產(chǎn)人員比例由72％上升到81．4％，年施工可達(dá)240天?？戳藞蟾妫芏鱽矸浅M意，并做了如下批示：“修成昆路主席同意。朱委員長提議使用鐵道兵修?！比齻€多月后，鐵道兵又迎來了大擴編。

1964年9月18日，為加速國防工程和西南地區(qū)鐵路建設(shè)，中央軍委批準(zhǔn)鐵道兵擴編14．4萬人，總兵員達(dá)到37．2萬人，共有13個師、60個師屬團，3個獨立團。其中5個師擔(dān)負(fù)成昆鐵路建設(shè)。

后來，根據(jù)建設(shè)北京地鐵、援越抗美鐵路修建等任務(wù)，又組建了鐵道兵第十四師、第十五師，為出國的鐵道兵部隊配備了高炮團。到1974年底，鐵道兵共有3個指揮部、15個師、3個獨立團、3所學(xué)校、3所野戰(zhàn)醫(yī)院、1個科學(xué)技術(shù)研究所等單位，總員額達(dá)到43萬人，是鐵道兵歷史上人數(shù)最多的時期。

1976年1月，擔(dān)負(fù)北京地鐵施工任務(wù)的鐵道兵第十二師、第十五師和倉庫、機修廠等8個單位的5．3萬人改為基建工程兵，脫離鐵道兵建制。

從1980年開始，鐵道兵開始縮編。當(dāng)年4月8日，根據(jù)總參謀部的指示，鐵道兵撤銷了9個團。當(dāng)年8月28日，總參謀部通知鐵道兵，根據(jù)中共中央批準(zhǔn)的中央軍委關(guān)于軍隊精簡整編的方案，鐵道兵按現(xiàn)行編制37萬人縮減去17萬人，保留約20萬人。

到1981年4月，鐵道兵完成了縮編任務(wù)。13個鐵道師縮編合并成10個師，鐵道兵機關(guān)減少人員30％，3個獨立團合并成2個，3所院校保留了2所，保留兵員總數(shù)為20萬。

1983年底，鐵道兵集體轉(zhuǎn)業(yè)并入鐵道部。下屬各鐵道師分別轉(zhuǎn)編成鐵道部各工程局，至此鐵道兵完成了歷史使命。