2011年3月19日，首趟中欧班列——重庆至德国杜伊斯堡的“渝新欧”班列探索开行。班列行驶到边境口岸时，需要完成报关和铁路出境手续。之后，列车发往国境线另一侧的外国口岸的集装箱换装场，集装箱从列车上卸下后要作进口申报及铁路入境手续。

由于各国铁路轨距不同，列车在运行中可能需要换轮，或者将集装箱搬到符合当地轨距的另一辆列车上。此外，每跨越一次国境线，通常还可能要更换司机。班列在各国铁路网络中按照既定的路线行驶，各国铁路部门会相互协作，确保班列的顺利通行。最终，中欧班列抵达欧洲的目的站，在当地进行货物的卸载和交付，将来自中国及其他国家的货物分送到各地。返程班列则按照类似的流程，从欧洲装载货物返回中国。

2012年，“渝新欧”铁路低温运行实验取得突破，多国海关达成简化通关流程共识，“汉新欧”“苏满欧”等班列陆续开通。

2013年，成都、郑州、西安等城市的中欧班列相继开行，“渝新欧”启动中欧安全智能贸易航线试点计划，并实现常态化运行。

2014年，中国铁路总公司编制中欧班列新运行图，出台《中欧班列组织管理暂行办法》，各地中欧班列不断增加，回程班列也逐渐常态化。

2015年，中欧班列运输路线相对完善，在多个城市开始实现定期运营，中国铁路95306国际联运需求自动化办理功能上线，办理时间大幅压缩。

2016年6月8日，中欧班列统一品牌正式发布启用。 2018年，中欧班列开行数量大幅增长，达到6363列。

2021年，沈阳中欧班列开通阿拉山口和霍尔果斯口岸通道，形成东、中、西“三通道五口岸”全覆盖发展格局。

截至2023年7月，中欧班列已联通中国境内112座城市，通达欧洲25个国家和地区的216个城市，以及沿途11个亚洲国家和地区的100多座城市。

2024年11月15日，随着X8083次中欧班列驶出重庆团结村中心站，中欧班列达到第10万列，成为共建“一带一路”的标志性品牌，是深化亚欧大陆务实合作的重要载体。