夕張炭田の石炭を輸送するために北海道炭礦汽船により1892年に追分~夕張間が室蘭線の支線として開業した。1906年に国有化、1909年に紅葉山(現・新夕張)~楓までの支線が開業。1916年に登川まで支線が延長開業して1981年までの路線網が確立した。
国鉄最後の蒸気機関車牽引による貨物列車が1975年12月24日に運行された。
1981年7月1日に紅葉山~登川間の支線が廃止。1981年10月1日に石勝線開業により、追分~新夕張(旧・紅葉山)間が石勝線の本線に編入、新夕張~夕張間を支線とした。これにより、夕張線の名称は消滅した。
以後は石勝線を参照。