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戰前，連接札幌與函館的路線主要為經過小樽及俱知安的函館本線。而千歲線的道床則相對薄弱，北廣島站至苗穗站之間的路段亦有急彎<ref name="history 5">{{cite web |url=http://www.city.chitose.hokkaido.jp/shishi_hp/paper/sikotsu04_05.htm |language=ja |title=小さな私鉄の大きな変身－千歳線八十年の歩みを振り返る－「9.複線化と線路移設」「10.鉄空一貫（まとめとして）」 |publisher=引自網站 |accessdate=2017-09-11 |archive-url=https://web.archive.org/web/20080408111111/http://www.city.chitose.hokkaido.jp/shishi_hp/paper/sikotsu04_05.htm |archive-date=2008-04-08 |deadurl=yes }}</ref>。不過，函館本線長萬部站至小樽站的「山路」也要經過很多斜坡及山路；與之對比經過室蘭本線長萬部站至沼之端站及千歲線的「海線」較平坦，因此戰爭期間及戰後對路線進行改良以加強運輸能力，轉移函館本線的運輸。

1965年9月22日開始千歲線進行[[複線鐵路|複線化]]，直到1969年9月25日為止，惠庭站至北廣島站、美美站至千歲站、植苗站至美美站、沼之端站至植苗站已先後完成複線化。1973年9月9日，配合新札幌副都心的開發計劃，北廣島站至苗穗站這段因為線形造成運輸瓶頸的路段進行改建並同時複線化，從而全線完成複線化。1980年10月1日，全線完成[[電氣化鐵路|電氣化]]（[[交流電]]20,000 [[伏特|V]]、50 [[赫茲|Hz]]）並開設千歲機場站（現在的南千歲站），此時本線作為札幌都市圈的重要運輸路線及前往千歲機場（舊機場）的機場鐵路，在運輸能力方面進一步加強。

1986年11月1日，函館本線長萬部站至小樽站的定期優等列車全部廢除後，千歲線成為優等列車連接札幌及函館的唯一主要路線，包括特急「[[北斗號列車|北斗]]」在內的寢台特急、夜行急行及高速貨物列車頻繁地使用此路線，而路線亦進行結構強化及適應高速化的工程。

2017年5月15日，JR北海道於官方網站公佈，由於[[新札幌車站 (JR北海道)|新札幌站]]及[[千歲車站 (北海道)|千歲站]]的抗震標準為1970年之前適用的標準，而近期新札幌站出現混凝土剝落的情況，因此2017~2021年將會對架空天橋進行進一步的抗震工程<ref>{{cite web |url=http://www.jrhokkaido.co.jp/press/2017/170511-2.pdf |language=ja |title=高架橋の耐震補強工事の実施について |publisher=JR北海道 |date=2017-05-11 |accessdate=2017-09-08 |archive-url=https://web.archive.org/web/20170513204105/http://www.jrhokkaido.co.jp/press/2017/170511-2.pdf |archive-date=2017-05-13 |deadurl=yes }}</ref>。

** 5月15日 - 沼之端站停止貨物處理。島松站的貨物處理限定在專用線出發的車攜貨運。植苗站停止行李處理。

** 7月10日 - 千歲市約有4.39 km的道路進行[[交通立體化|高架化]]，而千歲站亦轉為-{[[高架車站]]}-。同時有6個[[平交道]]被廢除<ref>{{cite web |url=http://photodb.hokkaido-np.co.jp/detail/0090265220 |language=ja |title=国鉄高架化が完成　千歳市街分断の悩み解消　10日に開通式 |publisher=フォト北海道 |date=1980-07-08 |accessdate=2017-09-08 |archive-url=https://web.archive.org/web/20151018141041/http://photodb.hokkaido-np.co.jp/detail/0090265220 |archive-date=2015-10-18 |deadurl=yes }}</ref>。

* 1981年（昭和56年）3月5日 - 沼之端站至白石站及室蘭本線的沼之端站至室蘭站路段引入[[調度集中系統]]（CTC）<ref>{{cite web |url=http://photodb.hokkaido-np.co.jp/detail/0090265211 |language=ja |title=室蘭．千歳線CTCが始動 |publisher=フォト北海道 |date=1981-03-06 |accessdate=2017-09-08 |archive-url=https://web.archive.org/web/20151018141500/http://photodb.hokkaido-np.co.jp/detail/0090265211 |archive-date=2015-10-18 |deadurl=yes }}</ref>。

* 1982年（昭和57年）3月1日 - 惠庭站至島松站之間設立'''惠野站'''<ref>{{cite web |url=http://photodb.hokkaido-np.co.jp/detail/0090359919 |language=ja |title=乗降客、日に2000人 |publisher=フォト北海道 |date=1982-01-03 |accessdate=2017-09-08 |archive-url=https://web.archive.org/web/20151018141903/http://photodb.hokkaido-np.co.jp/detail/0090359919 |archive-date=2015-10-18 |deadurl=yes }}</ref><ref>{{cite web |url=http://photodb.hokkaido-np.co.jp/detail/0090359906 |language=ja |title=恵み野駅　千歳線 |publisher=フォト北海道 |date=1983-03-01 |accessdate=2017-09-08 |archive-url=https://web.archive.org/web/20151018142355/http://photodb.hokkaido-np.co.jp/detail/0090359906 |archive-date=2015-10-18 |deadurl=yes }}</ref>。

* 2013年（平成25年）

** 3月23日 - 全線能夠互相通用的智能車票由「Kitaca」及「Suica」之外，擴大至「[[TOICA]]」、「[[ICOCA]]」、「[[SUGOCA]]」、「[[PASMO]]」、「[[manaca]]」、「[[PiTaPa]]」、「[[nimoca]]」及「[[快捷卡]]」<ref>{{cite web |url=http://www.jrhokkaido.co.jp/press/2012/121218-1.pdf |language=ja |title=交通系ICカードの全国相互利用サービスがいよいよ始まります！ |publisher=JR北海道 |date=2012-12-18 |accessdate=2017-09-11 |archive-url=https://web.archive.org/web/20121224023530/http://www.jrhokkaido.co.jp/press/2012/121218-1.pdf |archive-date=2012-12-24 |deadurl=yes }}</ref>。

* 2017年（平成29年）3月4日 - 美美站廢站<ref>{{cite web |url=http://www.jrhokkaido.co.jp/press/2016/161216-3.pdf |language=ja |title=平成29年3月ダイヤ改正について |publisher=JR北海道 |date=2016-12-16 |accessdate=2017-09-11 |archive-url=https://web.archive.org/web/20170305024832/http://www.jrhokkaido.co.jp/press/2016/161216-3.pdf |archive-date=2017-03-05 |dead-url=no }}</ref>。

* 電聯車：[[JR北海道721系電聯車|721系]]、[[JR北海道731系電聯車|731系]]、{{Tsl|ja|JR北海道733系電車|JR北海道733系電聯車|733系}}、{{Tsl|ja|JR北海道735系電車|JR北海道735系電聯車|735系}}，731系和735系擔當機場號快速列車。

* 柴聯車：

** [[日本國鐵KiHa40系柴聯車|Kiha 40系]]、[[JR北海道KiHa 150型柴聯車|Kiha 150型]]，擔當石勝線直通列車。