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。
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