1958年10月1日，武汉第一次设局，称武汉铁路管理局。1961年8月，长沙铁路管理局并入武汉铁路管理局。武汉局管辖范围内包括汉口、信阳和长沙等3个办事处。1963年4月1日，武汉铁路管理局被撤销，同时设立武汉铁路分局，管辖范围包括湖北省境内铁路，并被划归为郑州铁路管理局的子机构。1966年6月1日，设立襄樊铁路分局，同样被划归郑州铁路管理局。

1983年3月1日，武汉铁路局再次被撤销，武汉、襄樊2个铁路分局再度被划给郑州铁路局。1987年3月，京广线孟庙以南至东篁店段和孟宝线由郑州铁路局交给武汉铁路分局管辖。2005年3月18日，铁道部决定撤销武汉、襄樊铁路分局，重新成立武汉铁路局，实行路局直管站段体制。同年5月15日，南昌铁路局京九线淮滨至蔡山段、宁西线潢川北站至祖师庙站划归武汉铁路局管辖。

2017年11月15日，在国家企业信用信息公示系统中，中国铁路武汉局集团有限公司已完成工商登记变更。工商登记变更后，中国铁路武汉局集团有限公司仍为中国铁路总公司100%控股的公司，公司由原先的全民所有制企业变成有限责任公司（非自然人投资或控股的法人独资）企业，注册资本由原先的1517.59691亿元变更为2246.1591亿元人民币，经营范围由原先仅能从事铁路客货运输、运输设施修理与制造、物资采购与供销（国家限制物资除外）、生活服务、承办陆运进出口业务的国际货物运输代理业务等，扩大到囊括通信、信号、供电、供水、工务设备的研制、生产、安装与修理，工务线路、桥涵、隧道修理，装卸机械、机械动力、仪器仪表及货运安保设备的研制、生产、安装与修理，铁路线路、站场设备技术开发与应用，基本建设，对外经济贸易，卫生保健、文化设施服务，仓储，房地产开发和经营，信息及通讯网络技术系统集成、研发和服务等。

2020年1月24日起，受到新冠肺炎疫情的影响，武汉局担当的114.5对管内列车停运直至另有通知。1月25日，武汉局集团发布数条公告，宣布继续停运该局担当的144对直通旅客列车，包括G字头75对、D字头44对、普速25对，以及44座管内车站。自此武汉局集团担当的221对图定旅客列车中仅有除河南省始发终到的6.5对继续开行。列车停运期间，其拥有的车底临时外借给北京、沈阳、郑州、广州、成都、昆明局等集团有限公司，其中动车组84组、25T型客车5组。1月31日起，部分原有武汉局担当司机乘务的过路列车改由广州局集团人员担当。3月24日，武汉局宣布自25日起恢复办理湖北省境内除武汉市铁路客站外的到达和出发业务；28日零时起，恢复办理武汉市铁路客站到达业务；4月8日零时起恢复办理武汉市铁路客站出发业务。