В 1888 году в Русском техническом обществе обсуждался проект постройки тихоокеанской железной дороги через северную оконечность Байкала, после чего в июле — сентябре 1889 года полковник Генерального штаба Н. А. Волошинов преодолел с небольшим отрядом тысячекилометровое пространство от Усть-Кута до Муи — как раз по тем местам, где сейчас пролегла трасса БАМа. И пришел к выводу: «…проведение линии по этому направлению оказывается безусловно невозможным в силу одних технических затруднений, не говоря уже о других соображениях». Волошинов не был пессимистом, но он трезво осознавал: ни техники, ни средств для выполнения грандиозных работ у России на тот момент не было.

В 1926 году Отдельный корпус железнодорожных войск РККА начал проводить топографическую разведку будущей трассы БАМа. В 1932 году (13 апреля) вышло постановление СНК СССР «О строительстве Байкало-Амурской железной дороги», по которому были развёрнуты проектно-изыскательские работы и началось строительство. К осени стало ясно, что основной проблемой строительства стала нехватка рабочих рук. При официально установленном количестве работников в 25 тысяч человек, удалось привлечь только 2,5 тысячи человек. В результате, 25 октября вышло второе постановление СНК СССР, по которому строительство БАМа было передано особому управлению ОГПУ. Вслед за этим продолжилось (в основном силами заключённых Байкало-Амурского ИТЛ (Бамлага)) строительство трёх соединительных линий от Транссиба к намечавшейся трассе БАМа: Бам — Тында, Волочаевка — Комсомольск-на-Амуре, Известковая — Ургал. В 1937 году определено общее направление трассы БАМа: Тайшет — Братск — северная оконечность Байкала — Тындинский — Усть-Ниман — Комсомольск-на-Амуре — Советская Гавань. В мае 1938 года Бамлаг был расформирован и на его базе было создано шесть железнодорожных ИТЛ. В 1938 году началось строительство западного участка от Тайшета до Братска, а в 1939 году — подготовительные работы на восточном участке от Комсомольска-на-Амуре до Советской Гавани.

В январе 1942 года по решению Государственного Комитета Обороны с построенного к этому времени участка Бам — Тында были сняты звенья пути и мостовые фермы для строительства железнодорожной линии Сталинград — Саратов — Сызрань — Ульяновск (Волжская рокада). В июне 1947 года продолжилось (в основном силами заключённых Амурского ИТЛ (Амурлага)) строительство восточного участка Комсомольск-на-Амуре — Ургал. До расформирования Амурлага (в апреле 1953 года) были отсыпаны насыпи на всем участке, уложены пути, построены мосты на участке Комсомольск-2 — Березовый (Постышево). Участок эксплуатировался Комсомольским объединённым хозяйством железнодорожного транспорта, контора и депо которого находились в поселке Хурмули Комсомольского района. Участок Комсомольск-на-Амуре — Советская Гавань сдали в эксплуатацию в 1945 году. Первый поезд на полном протяжении линии Тайшет — Братск — Усть-Кут (Лена) прошёл в июле 1951 года, а в 1958 году участок был сдан в постоянную эксплуатацию. В 1967 году (24 марта) вышло постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР, и были возобновлены проектно-изыскательские работы. Постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР от 8 июля 1974 года «О строительстве Байкало-Амурской железнодорожной магистрали» были выделены необходимые средства для строительства железной дороги первой категории Усть-Кут (Лена) — Комсомольск-на-Амуре протяжённостью 3145 км, второго пути Тайшет — Усть-Кут (Лена) — 680 км, линий Бам — Тында и Тында — Беркакит — 397 км.

Многие посёлки и станции БАМа строились одной республикой, областью или городом. Так, азербайджанцы строили станции Ангоя и Улькан; армяне — Кюхельбекерскую и Звездную; белорусы — Муякан; грузины — Икабью и Нию; казахи — Новую Чару; латыши — Таксимо; литовцы — Новый Уоян; молдаване — Алонку; туркмены — станцию Ларба; таджики — Солони; узбеки — Куанду и Леприндо; украинцы — Новый Ургал; эстонцы — Кичеру. Множество разъездов и станций построено жителями РСФСР: Тамбовской области — Хурумули; Новосибирской — Тунгала и Постышево; Пензенской— Амгунь; Волгоградской — Джамку; Саратовской — Герби; Куйбышевской — Этыркен; Ульяновской — Ижак; Свердловской — Кувыкта и Хорогочи; Пермской — Дюгабуль; Челябинской — Юктали; Ростовской — Киренга; Тульской — Маревая; Московской — Тутаул и Дипкун; Алтайского края — Эворон; Красноярского — Февральск; Хабаровского — Сулук; Ставропольского и Краснодарского — Лену; Башкирии — Верхнезейск. Жители Чечено-Ингушской, Дагестанской и Северо-Осетинской АССР работали на строительстве Кунермы. Москвичи строили Тынду, ленинградцы -Северобайкальск.

В апреле 1974 года БАМ был объявлен всесоюзной ударной комсомольской стройкой, сюда приезжали массы молодых людей. По этому поводу ходили шутки, вроде шуточной расшифровки акронима БАМ — «Брежнев Абманывает Молодёжь».

В 1977 году была сдана в постоянную эксплуатацию линия Бам — Тында, а в 1979 году линия Тында — Беркакит. Основная часть дороги строилась более 12 лет — с 5 апреля 1972 года по 27 октября 1984 года, а 1 ноября 1989 года весь новый трёхтысячекилометровый участок магистрали был сдан в постоянную эксплуатацию в объёме пускового комплекса. Самый длинный в России Северо-Муйский тоннель (15 343 метра), строительство которого началось в мае 1977 года, был пробит до конца только в марте 2001 года и сдан в постоянную эксплуатацию в декабре 2003 года.

Стоимость строительства БАМа в ценах 1991 года составила 17,7 млрд руб., таким образом, БАМ стал самым дорогим инфраструктурным проектом в истории СССР. По утверждению экономиста Егора Гайдара, затраты на строительство БАМа оказались примерно в четыре раза дороже, чем предполагалось.