1953年9月，中央軍委決定組建鐵道兵領導機關。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，與鐵道兵團現有的4個師、1個獨立團，統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：“為建設正規化、現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，機關設司令部、政治部、工程部、后勤部、干部管理部和計劃處、軍法處、財務處。

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

1956年1月下旬，鐵道兵司令員王震與鐵道部部長滕代遠簽訂了《鐵道兵執行國家15年鐵路建設遠景計劃》協議書。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％；修復鐵路7條，總長為965公里。

8月24日，國防部批復鐵道兵成立兩個軍，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規模，許多鐵路建設工程縮減規模，有的停建。6月20日，總參謀部批準鐵道兵進行整編，定額為12萬人，下轄11個師、2所學校。鐵道兵領導機關總稱“鐵道兵兵部”。

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

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、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？軍隊搞建設也要為國家積累，要從性質、編制上徹底加以改革。鐵道兵要按修鐵路的工程部隊性質確定編制、工作制度。

會上，周恩來傳達了毛澤東對鐵道兵的意見：“鐵道兵是工程部隊性質，無論平時、戰時，都是執行工程任務，是工程部隊，不是戰斗部隊。”周恩來針對鐵道兵官多兵少、軍事訓練和政治教育時間占用多，施工時間短等問題指出，鐵道兵軍官比例應該是10％，新兵訓練3個月，與作戰部隊應有區別，每年施工220天，還應該再多一些。

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。鐵道兵參加的林業工程主要在吉林、黑龍江和內蒙古三省區。此時，鐵道兵的總兵員達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10萬人修建林業鐵路的情況和體會。報告說，鐵道兵經過精簡整編，軍官比例由22．1％降到9．95％，生產人員比例由72％上升到81．4％，年施工可達240天。看了報告，周恩來非常滿意，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。”三個多月后，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鐵路建設，中央軍委批準鐵道兵擴編14．4萬人，總兵員達到37．2萬人，共有13個師、60個師屬團，3個獨立團。其中5個師擔負成昆鐵路建設。

后來，根據建設北京地鐵、援越抗美鐵路修建等任務，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所學校、3所野戰醫院、1個科學技術研究所等單位，總員額達到43萬人，是鐵道兵歷史上人數最多的時期。

1976年1月，擔負北京地鐵施工任務的鐵道兵第十二師、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。當年4月8日，根據總參謀部的指示，鐵道兵撤銷了9個團。當年8月28日，總參謀部通知鐵道兵，根據中共中央批準的中央軍委關于軍隊精簡整編的方案，鐵道兵按現行編制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。13個鐵道師縮編合并成10個師，鐵道兵機關減少人員30％，3個獨立團合并成2個，3所院校保留了2所，保留兵員總數為20萬。

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