1907年（清朝光绪三十三年），时任两江总督端方上奏清政府，修建南京市内铁路。经批准后，委任江南商务局总办王燮为工程总办，聘请英国人格林森（Galiensen）为总工程师，开始测量购地。当年十月，破土动工。次年十二月建成，共花费藩库公币40万两。
1909年（宣统元年），一月，全线通车，取名为“宁省铁路”，俗称“小铁路”或“小火车”。“宁省铁路”全长11.3公里（一说12.5公里），起自下关江边，跨惠民河，由金川门入城，经三牌楼、丁家桥、无量庵，沿北极阁南麓，两江师范学堂（今东南大学）后墙，越珍珠河后，在今太平南路东侧南折，经过两江总督署（总统府）东墙外，到中正街（今白下路）止。沿线设有江口（今长航客运码头）、下关、三牌楼、无量庵（后改名鼓楼）、督署（后改名长江路）、万寿宫（后改名中正街、白下路）共6个车站。
1910年（宣统2年），清政府在南京丁家桥举办“南洋劝业会”期间，又增设了劝业会站（后改名丁家桥站）。“宁省铁路”通车初期，有英制机车2辆，头等二等联合客车2辆，三等客车6辆，货车4辆，还有花车1辆、铁质水车1辆。花车专供两江总督出行使用；水车专供总督衙门到江边汲水使用。“宁省铁路”的开通，极大地改变了南京城南北的交通状况。
1912年（民国元年），“宁省铁路”更名为“江宁铁路”。1912年1月1日（民国元年），孙中山由上海乘坐沪宁铁路列车抵南京后，改乘市内小火车直达两江总督署，就任中华民国临时大总统。1927年（民国16年），“江宁铁路”更名为“京市铁路”。
1936年（民国25年），“京市铁路”向南延伸3.8公里，与江南铁路（今宁芜铁路）接轨。在延伸线上，增设了武定门、中华门两站，这样，全线增为9站。南京沦陷期间，“京市铁路”与江南铁路合并称为“南宁线”。由于日军对铁路只顾占用，不事修缮，所以损坏严重。抗战胜利后，南京市政府接管了这条线路，仍称“京市铁路”。因无力维修，路况恶化，列车连续发生出轨颠覆事故。
1949年，南京解放后，该铁路改称“宁市线”，有关部门对铁路进行了维修整治。由于该铁路纵贯全城，经过市区道口达30处之多，直接影响到南京市的交通安全和环境建设。1958年11月28日，经铁道部批准修建的由尧化门到中华门的沪宁、宁芜铁路连接建成通车后，随之拆除了在南京市内运行达50年之久的小铁路。 1984年，玄武区20位人大代表提交了“南京市兴建地铁的设想”的议案。
1986年，南京市成立综合交通规划领导小组，下设地铁专业组，南京地铁前期规划由此开始；《南京市地铁线路规划初步方案》：3条地铁、3条支线。
1992年，三山街实验站结合中山南路南下工程开始建设。
1993年，《南京城市总体规划》：4条地铁线、1条地铁支线、3条轻轨线和1条市郊铁路线。
1994年，国家计委同意南京地铁“预立项”。
1999年，国家批准南京地铁正式立项。《南京城市快速轨道交通线网规划》：6条地铁线、2条地铁支线、3条轻轨线的方案。
2001年11月，完成了《南京地铁二号线一期工程预可行性研究报告》。
2002年，日本中央复建工程咨询公司（CFK）主编新一轮《南京城市轨道交通线网规划》。主城内部布设7条轨道交通线路，中心区设4条地铁线；主城与三大新市区（东山、仙林、江北）之间各有2条以上轨道交通线连通，其中1条直达新街口中心区；主城与外围新城（板桥、新尧、龙潭、大厂、雄州等）之间也各有1条以上轨道交通线连通；三大新市区内部都将布设轻轨交通线路。
2002年8月，地铁2号线一期工程经中华人民共和国国务院总理办公会批准立项。同年9月，完成了《南京地铁二号线一期工程可行性研究报告》的编制工作；《南京城市轨道交通线网规划》：7条地铁线、3条轻轨线。
2003年，南京轨道交通线网在2002年编制的《南京城市轨道交通线网规划》的基础上进行了局部调整。调整后，南京都市发展区共13条轨道线路，总长度433公里。其中9条地铁线（含4条过江线），4条轻轨线。线网密度0.15 km/km2。南京主城区共8条地铁线路，总长度200公里。调整后的远景线网可基本划分为两个层次：即由骨干线路组成的骨干网络和由其他线路组成的预留发展网络。骨干网络共有8条主要线路，由一、二、三、四、五、六号线和江北轻轨、南城轻轨所构成。该骨干网络建成后轨道交通将承担城市客运交通的骨干作用，同时该网络也确定为南京城市轨道交通线网规划的远期网络。
2003年1月，南京地铁2号线一期工程通过了中国国际工程咨询公司组织的专家评审。
2003年12月，河西奥体中心附近的向兴路站（现名奥体东站）开始动桩施工，标志着规划已久的二号线试验段的开工。
2005年5月15日，南京地铁1号线开通观光运营，9月3日正式开通运营。
2005年，规划初步确定地铁3号线的南北纵跨长江的走向。
2007年，南京地铁3号线过江隧道通过专家评审，采用过江隧道形式过江。
2009年6月，南京地铁3号线通过国家环评，初步确定过江隧道直径11米，单洞双线过江。
2009年10月，南京地铁3号线通过国家发改委审批。
2010年1月10日，南京地铁3号线在南京南站举行试验段开工典礼，标志着地铁3号线正式开工。
2010年5月28日，南京地铁1号线南延线，南京地铁2号线正式运营，南京地铁进入十字交叉准网格运营时代。
2014年6月1日，原南京地铁1号线小行至奥体中心四个站点停运并入地铁10号线。
2014年7月1日，南京地铁10号线，南京地铁S1号线正式运营，南京地铁线形成网络化运营。
2014年8月1日，南京地铁S8号线正式运营。
2015年4月1日，南京地铁3号线正式运营。
2015年5月，《南京市城市轨道交通建设规划（2015-2020年）》获国家发改委批复，共有8条地铁线入选，包括1号线北延、2号线西延、3号线三期、5号线、6号线、7号线、9号线一期和10号线二期工程，总长度157.2公里。
2015年10月19日，《南京市（江北新区）轨道交通近期建设规划（2016-2020）》环境影响评价第一次公示 ；10月29日，环境影响评价第二次公示。