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2001年，北京申办奥运会成功，大大推动了北京地铁建设的进程。2002年，奥林匹克公园设计方案向全球公开征集，评委在55个设计方案中选出了3个优秀方案。这三个方案都对[[北京]]的[[中轴线]]进行了延伸和一些处理，当选设计也不例外。
紧迫的工期让规划方曾经考虑利用已经建成的13号线或工期较快的5号线建设“奥运支线”。但由于中轴线下已有规划8号线，为了不破坏线网的完整性，规划方最终决定采用8号线规划建设奥运支线 <ref>[https://www.sohu.com/a/50589550_168553 揭秘：北京地下也有中轴线？ ]，搜狐，2015-12-25 </ref> 。
2005年5月，8号线一期工程开工。工程采用BT（Build-Transfer，即建设－转让）模式，建设方国有企业“中铁总公司投资联合体”建设线路，完成后由运营方回购。由于位于[[大兴土木]]的奥林匹克公园内，8号线大部分采用明挖法施工，为工程降低了难度。
在三期工程的基础上，8号线将继续南延。8号线四期工程（又称三期南延线）北起五福堂与三期相连接，向东南沿京福路（104国道）到达大兴区[[德茂站]]和瀛海站，全长3.4千米，地下段长约988.6米，过渡段长约347.3米，高架段长约2062.4米，设2座车站，和1座车辆段。
2017年6月26日至7月3日，北京地铁8号线三期天桥站～永定门外站左线盾构在富水砂卵石地层成功下穿[[北京地铁14号线]]永定门外站特级风险源 <ref>[https://www.sohu.com/a/154558873_125099 北京地铁成功下穿地铁14号线永定门外站特级风险源 ]，搜狐，2017-07-05</ref> 。
8号线三期分为南北两段开通，[[珠市口站]]以南的区段于2018年12月30日开通。而北段线路由于经过王府井、前门等区域，沿线有大量[[文物]]和其他[[建筑]]，以及既有管线和地铁1、2号线、北京地下直径线隧道，2018年无法通车，8号线暂时在南北两段分段运行。2021年三期北段建成后，8号线将贯通运营。截至2020年6月，8号线三期隧道盾构已完成下穿地铁2号线和铁路北京地下直径线。