1859 metais Lietuvos teritorijoje buvo pradėti geležinkelio linijos Sankt Peterburgas–Varšuva tiesimo (numatyta nutiesti apie 1250 km) darbai. Geležinkelio linijos Daugpilis–Vilnius–Gardinas su atšaka Lentvaris–Kaunas–Kybartai (Virbalis) tiesimo darbai baigti 1862 metais. Tiesiant pirmąjį geležinkelį Lietuvoje, buvo pastatyta daug inžinerinių statinių. Stambiausi iš jų: Kauno ir Panerių tuneliai (pastatyti 1861 m. rudenį), tiltai per Nerį, Vilnią, Merkį ir Nemuną (Kaune). 

Šioje linijoje buvo pastatytos pirmosios Lietuvoje geležinkelio stotys (21 stotis). Tik pradėjus eksploataciją geležinkelio direktoriaus vadovaujamą valdybą sudarė trijų tarnybų – kelio ir pastatų, riedmenų ir traukos įrenginių bei eismo – atstovai. Sankt Peterburgo–Varšuvos geležinkelio kelio ir pastatų valdyba buvo sudaryta viena iš pirmųjų, nes ji iš dalies prižiūrėjo kelio tiesimo darbų pabaigą. Vilniuje geležinkelio kelio ir pastatų valdyba turėjo trečiąjį skyrių, kuris atliko kelio priežiūros darbus. 

Atkūrus nepriklausomybę Lietuvoje ir perėmus geležinkelius valstybės žinion, buvo atverstas naujas Lietuvos geležinkelių istorijos puslapis. 1919 m. liepos 4 d. Lietuvos Vyriausybė pasirašė sutartį su Vokietija dėl geležinkelių tinklo perdavimo Lietuvos Respublikos susisiekimo ministerijai. Vadovaujantis šia sutartimi buvo perduoti ir geležinkelio ruožai. 1919 m. rugsėjo 10 d. atlikta Lietuvos geležinkelių valdymo reorganizacija. Geležinkelių valdyboje likviduotos eksploatacijos ir traukos tarnybos. Vietoj jų sudarytos važiuotės (tvarkė eismą, rinkliavas ir komerciją), kelių (jai priklausė keliai, telegrafas bei telefonas), traukos (riedmenys ir jų ūkis), ūkio (materialinis tiekimas) tarnybos ir sveikatos skyrius. Vietoj Kauno ir Šiaulių eksploatacijos skyrių tose pačiose ribose buvo sudaryti Kauno ir Radviliškio kelių ruožai. 1920 m. pirmą kartą valdžia patvirtino „Lietuvos geležinkelių“ etatus. Geležinkelių valdybai vadovavo geležinkelių direktorius. Buvo patvirtinti 1468 kelio tarnybos etatai. Linijoje tarnyba turėjo 6 kelių ruožus  ir Kauno telegrafo dirbtuves. Be to, pradėta rūpintis riedmenų pirkimu, geležinkelių saugumu ir jų sujungimu į bendrą tinklą, parengta geležinkelių tobulinimo programa. 1924 m. nutiestas Šeštokų–Alytaus plačiųjų geležinkelių ruožas (58 km). 1923 m. Lietuvai susigrąžinus Klaipėdos kraštą, Klaipėdos uostas tapo Lietuvos geležinkelių sistemos dalimi. 1924–1932 m. nutiesta Kužių–Telšių–Kretingos geležinkelių linija. Ši linija padėjo išplėsti eksportą ir pagerino šiaurės vakarų Lietuvos ekonominio vystymosi sąlygas. Geležinkelio kelias į uostamiestį sutrumpėjo 60 km. 

Geležinkelių valdyba nutiesė keletą pramonės plėtrai būtinų geležinkelio atšakų, 1935–1936 m. nutiesė labai svarbią atšaką Kauno tuneliui aplenkti (3 km). Buvo rekonstruojami seni tiltai, nutiesta naujų tiltų, pastatyta geležinkelio stočių ir dirbtuvių. Lietuva išliko tranzitinė valstybė. Pagrindinės tranzito kryptys: Sovietų Sąjunga–Vokietija ir Vokietija–Sovietų Sąjunga. Lietuvos Vyriausybė buvo suinteresuota tranzitinių krovinių gabenimu, todėl tobulino geležinkelių darbą. 

Nepriklausomos Lietuvos geležinkelių valdymo sandara keitėsi nedaug. 1936 m. direkcija pavadinama vyriausiąja direkcija, tarnybos–direkcijomis. 

1940 m. rugpjūčio 3 d. Lietuvą inkorporavus į Sovietų Sąjungą, SSRS susisiekimo kelių liaudies komisaras pasirašė įsakymą „Apie Lietuvos geležinkelių organizavimą“, pagal kurį Lietuvos geležinkeliai tapo sudėtine SSRS geležinkelių tinklo dalimi. Geležinkelių darbas buvo pertvarkomas pagal SSRS galiojusią tvarką. Sovietų Sąjungai okupavus Lietuvą, pradėta ypač intensyviai keisti geležinkelių bėgius į sovietinių geležinkelių plotį – iš 1435 mm į 1524 mm. 

1941 m. birželį Lietuvą užėmusi vokiečių kariuomenė šiuos geležinkelio ruožus vėl pertvarkė į įprastą Europoje 1435 mm vėžę. Prasidėjus karui (1941 m. birželio 22 d.), SSRS valdžios sprendimu dalis Lietuvos geležinkelių technikos išgabenta į Rytus. Vokietijos okupuota Lietuvos teritorija buvo įjungta į Ostlandą. Geležinkelių valdymas buvo sutelktas Kariniame geležinkelių administracijos centre, kuris veikė Rygoje. Antrasis pasaulinis karas, pokario suirutė suniokojo geležinkelių ūkį. 

Pasibaigus Antrajam pasauliniam karui geležinkelininkai ėmėsi atkurti kelius, perkalinėjo bėgius į Rusijos geležinkelio vėžę (1524 mm). Karo nusiaubtus geležinkelius paveldėjo SSRS valdžios sudaryta pokario Geležinkelių valdyba. 1944 m. buvo atkurti Vilniaus, Kauno, Kėdainių, Radviliškio, Šiaulių ir Panevėžio kelių ruožai, 1945 m. gegužės mėnesį Klaipėdos kelių ruožas. 1946  m. Lietuvos geležinkelio kelių ūkis respublikoje turėjo 2091,8 km kelio, tarp jų 536,6 km dvivėžio. Geležinkeliai buvo valdomi iš centro, kuris buvo Rygoje. 1946 m. sukurtos Vilniaus, Kauno, Šiaulių, Klaipėdos, Kaliningrado, Įsručio plačiųjų ir Panevėžio siaurųjų geležinkelių apygardos. 

Pokario geležinkeliai turėjo įvairiausių pavadinimų, priklausomai nuo valdymo struktūros. Iki 1953 m. buvo „Lietuvos geležinkeliai“, tuo laikotarpiu atstatytos svarbiausios geležinkelio linijos, iškilo stočių rūmai (Kaune, Kretingoje ir kitur), rekonstruoti Vilniaus stoties rūmai, intensyvaus eismo vietose nutiesti dvikeliai ruožai. 1953 m. „Lietuvos geležinkeliai“ suskaldomi į keturias – Vilniaus, Kauno, Šiaulių plačiųjų ir Panevėžio siaurųjų geležinkelių apygardas ir tampa „Baltijos geležinkeliais“. „Baltijos geležinkelių“ valdyba toliau stambina ūkinius vienetus. 1954 m. buvo likviduotas Pagėgių kelių ruožas ir keliai perduoti Tilžės, Klaipėdos ir Šiaulių ruožams. Taip pat likviduojamas Virbalio kelių ruožas ir Lietuvoje prižiūrimi  keliai perduodami Kauno kelių ruožui. 1955 m. likviduojamas nuo nepriklausomybės metų veikęs Kėdainių kelių ruožas ir darbuotojai perduodami naujai sukurtam Kaišiadorių kelių ruožui. Lentvario kelių ruožas savo kelius perdavė Vilniaus ir Kaišiadorių kelių ruožams.  

1956 m. – vėl „Lietuvos geležinkeliai“ ir vėl stambinami ūkiniai padaliniai. 1959 m. likviduojamas Kaišiadorių kelių ruožas, jo keliai perduodami Vilniaus ir Kauno kelių ruožams. 1961 m. tas pats nutinka ir Radviliškio kelių ruožui, jo kelius pasidalija Šiaulių ir Panevėžio kelių ruožai. Tačiau 1960–1962 m. buvo likviduota 600 mm pločio 390 km siaurųjų geležinkelių. 

1963 m. likviduojama „Lietuvos geležinkelių“ valdyba ir Lietuvos, Latvijos ir Estijos geležinkeliai sujungiami į „Pabaltijo geležinkelį“. 1975 m. Utenos–Švenčionėlių kelio ruožas pertvarkytas iš siaurojo (750 mm) į platųjį. 

Sovietiniais metais geležinkeliai sprendė visos SSRS globalius uždavinius. Didžiausias „Pabaltijo geležinkelio“ indėlis į Lietuvos geležinkelius – tai geležinkelių elektrifikacija. 1975 m. gruodžio 29 d. pirmas elektrinis traukinys išvyksta iš Vilniaus į Kauną. 1979 m. užbaigiama Naujosios Vilnios–Kauno ir Lentvario–Trakų kelio elektrifikacija. Vilniaus apygardoje 1981 m. buvo įsteigtas Jonavos kelių ruožas. Šiam ruožui perduota dalis Vilniaus ir Kauno kelių ruožų. Nors krovinių srautai per Lietuvą, ypač įrengus Klaipėdos–Mukrano perkėlą (1986 m.), augo, mūsų šalies geležinkeliai, valdomi iš Rygos, ne visada sulaukdavo adekvačių investicijų intensyviai eksploatuojamiems keliams. 

1990 m. kovo 11 d. aktu atkurta Lietuvos nepriklausomybė. 1990 m. sausio mėn. Lietuvos Vyriausybė pareikalavo iš SSRS Ministrų Tarybos atkurti geležinkelių savarankiškumą, buvusį iki 1940 metų. SSRS susisiekimo ministerija 1991 m. gruodžio 28 d. pasirašė nurodymą dėl SSRS susisiekimo ministerijos „Pabaltijo geležinkelio“ likvidavimo nuo 1992 m. sausio 1 d. „Lietuvos geležinkeliai“ tapo valstybine įmone ir ėmė tvarkytis laisvai ir savarankiškai. 1992 m. liepos 7 d. iš Šeštokų į Suvalkus išriedėjo pirmasis tarptautinis traukinys, o 1993 m. rugpjūčio 31 d. iš Kenos stoties išvyko paskutinis okupacinės armijos traukinys. 

Šeštokų geležinkelio stotis tapo vartais į Europą. Atkūrus Lietuvos nepriklausomybę, didelę svarbą įgijo 22 km ilgio europinio standarto (1435 mm) vėžės atkarpa Šeštokai–Lietuvos siena su Lenkija. Šis ruožas tapo „Lietuvos geležinkelių“ langu į Europą.  1995 m. liepos 18 d. valstybinė įmonė „Lietuvos geležinkeliai“ reorganizuota į specialiosios paskirties akcinę bendrovę. 

1991 m. lapkričio 4 d. buvo pradėta organizuoti Automatikos, ryšių ir elektros tiekimo tarnyba. Tarnybai priklausė automatikos, ryšių ir elektros tiekimo ruožai: Vilniaus automatikos ir ryšių ruožas (LA-1), Kauno automatikos ir ryšių ruožas (LA-2), Šiaulių automatikos ir ryšių ruožas (LA-3), Klaipėdos automatikos ir ryšių ruožas (LA-4), Vilniaus elektros tiekimo ruožas (LE-1), Šiaulių elektros tiekimo ruožas (LE-2). 1991 m. lapkričio 25 d. buvo įkurta Kelių tarnyba. Tarnybai buvo pavaldūs šie „Lietuvos geležinkelių“ kelių ruožai: Vilniaus (LK-1), Švenčionėlių (LK-2), Kauno (LK-3), Jonavos (LK-4), Panevėžio (LK-5), Šiaulių (LK-6), Klaipėdos (LK-7) ir kelių remonto stotys (Šiaulių kelių remonto stotis (KRS-1), Lentvario kelių remonto stotis (KRS-2)). Pastatų ir inžinerinių įrenginių tarnybos veiklos pradžia 1992 m. sausio 7 d. Tarnybai priklausė Vilniaus pastatų ir inžinerinių įrenginių ruožas (LP-1) ir Šiaulių pastatų ir inžinerinių įrenginių ruožas (LP-2). Anksčiau veikusių padalinių pagrindu 1997 m.  įkurta Infrastruktūros valdyba, kurios pagrindinis tikslas buvo prižiūrėti, remontuoti ir modernizuoti „Lietuvos geležinkelių“ infrastruktūrą.  2001 m. birželio 29 d. Lietuvos Respublikos ūkio ministerijoje įregistruoti nauji akcinės bendrovės „Lietuvos geležinkeliai“ įstatai. Specialiosios paskirties akcinė bendrovė „Lietuvos geležinkeliai“ perregistruota į akcinę bendrovę. Bendrovės pavadinimas trumpinamas – AB „Lietuvos geležinkeliai“.  Tais  pačiais  metais rugpjūčio 1 d. minėti kelių ruožai reorganizuoti į infrastruktūros filialus: Vilniaus (IF-1), Kauno (IF-2), Šiaulių (IF-3) ir Klaipėdos (IF-4). 2006 m. vasario mėn. Infrastruktūros valdybos pagrindu įkurta Geležinkelių infrastruktūros direkcija. „Lietuvos geležinkelių“ infrastruktūros plėtros pagrindiniai uždaviniai yra IX B ir IX D Kretos transporto koridorių kelių ir statinių atnaujinimas, telekomunikacijų, signalizacijos ir elektros tiekimo įrenginių modernizavimas siekiant didinti traukinių greičius: keleivinių iki 160 km/h, prekinių iki 120 km/h, prekinių traukinių svorį – iki 6000 t. Pagrindiniais galima įvardinti IX Kretos koridoriaus tiltų ir viadukų rekonstravimo, telekomunikacijų įrenginių IX B koridoriaus ruože Kaišiadorys–Kybartai modernizavimo, riedmenų automatinės kontrolės prietaisų modernizavimo IX B koridoriaus jungties su Klaipėdos uostu – Klaipėdos geležinkelio mazgo plėtros, signalizacijos ir elektros tiekimo linijų modernizavimą ruože Šiauliai–Klaipėda, stočių kelių pailginimą IX koridoriuje, telekomunikacijų sistemų modernizavimą geležinkelio ruože valstybės siena su Latvija–Panevėžys–Radviliškis–Tauragė–Pagėgiai, „Lietuvos geležinkelių“ radijo ryšio modernizavimą įdiegiant GSM–R. Pastatyta nauja moderni Kenos pasienio geležinkelio stotis.  

Įgyvendinant Geležinkelių transporto kodekso nuostatas, įpareigojančias AB „Lietuvos geležinkeliai“ atskirti krovinių vežimo, keleivių vežimo ir infrastruktūros valdymo veiklas į atskiras dukterines įmones, viešosios geležinkelių infrastruktūros valdytojo ir susijusių paslaugų veikla nuo 2019 m. gruodžio 8 d. perleista dukterinei bendrovei – AB „Lietuvos geležinkelių infrastruktūra“ (nuo 2020 m. rugpjūčio 26 d. įmonės pavadinimas – AB „LTG Infra“). 

AB „LTG Infra“, įgyvendindama ilgalaikę Lietuvos susisiekimo plėtros iki 2050 metų strategiją, vykdo svarbų europinės vėžės tiesimo „Rail Baltica“ projektą. „Rail Baltica“ kirs Lietuvos ir Lenkijos bei Lietuvos ir Latvijos sieną. 

Atliekant šiuos darbus ne tik atkuriamos, bet ir iš esmės keičiamos Lietuvos geležinkelių infrastruktūros charakteristikos: linijų pralaidumas, stočių pajėgumas, leistini traukinių greičiai, svoriai ir t. t. Spartūs infrastruktūros atnaujinimo ir modernizavimo tempai išlaikomi iki šiol, todėl galime pasidžiaugti atliktais darbais ir pasiektais rezultatais.