日治時期為輸出埔里糖廠所產的蔗糖，日治時期大正5年(1916)修築埔里至車埕的輕便車鐵道；1919年日月潭水力發電所（今大觀發電廠）動工，臺灣電力株式會社為運載大型設備和材料，拓寬車埕經集集至二水間的七分車鐵道（即外車埕線），軌距與縱貫線相同，於二水車站銜接西部幹線。1921年10月外車埕線完工，次年（1922）1月14日開放客運業務。外車埕線日治時期昭和2年(1927)被收購並進行路線改善，成為鐵道部所轄之縱貫線支線，更名集集線。

1959年發生八七水災，臺糖所管轄的「中濁線」受損嚴重而拆除，此後「集集線」成為南投唯一聯外鐵道。1986年後臺灣鐵路局以集集支線嚴重虧損為由，有意停駛並拆除集集線火車，幸賴也方人士極力反對而免遭拆除。1994年在鐵路局與鎮公所的合力推展下，集集支線的小火車轉型為觀光彩繪列車，假日時遊客絡繹不絕，讓集集重現早年的風光。

1999年發生九二一大地震，造成集集線毀壞嚴重，直到2001年1月21日才修復通車，原本受損的軌道、路基和號誌等，皆被移至「九二一大地震紀念館」展示，以資紀念。

集集支線由臺灣鐵路管理局所經營，為臺鐵最長的鐵路支線，它也是目前南投縣唯一仍在營運的鐵路。未來配合前瞻計畫，現有自田中車站新闢田中支線抵達高鐵彰化站，並與集集線直通運轉之計畫。