桃林鐵路原名台灣鐵路林口支線，於1967年興建完成，並於1968年1月正式營運。
1968年林口火力發電廠一號機商轉後，為方便從台中港載煤北上，台電特別出資7180萬元，委託台鐵興建長19.2公里、連接桃園車站和林口電廠的鐵道，沿途行經過桃園市、龜山鄉、蘆竹鄉三個行政區域，初期稱「林口線」，專供台電運煤使用。而迫於法規林口線需歸台鐵管理，台鐵也用運煤服務抵扣興建成本，花了13年才還清。
1970年代沿線工廠陸續增加，鐵路也兼提供貨運業務。桃林鐵路的沿線工廠（中油、台泥等）均向台鐵申裝專用側線，全盛時期多達八條專用側線 ( 除主要火力發電廠線外尚有
製鹽場總線、
糧食局線、
新竹化工公司線、
中油公司線、
嘉新水泥公司線、
台泥製品廠線、
大洋塑膠線 ) ，以運輸其所需要的原物料。全盛時期，林口支線每天有八班運煤列車往返，最高日載運量為五千五百噸，曾被台鐵視為黃金支線。
隨著時代進步、公路逐漸發達，鐵路長途運送煤炭方式逐漸被淘汰，林口支線的運輸量也逐漸落沒。深澳發電廠2007年除役、深澳運煤鐵道支線停駛後，林口支線成為全台碩果僅存的運煤鐵路。
桃園縣政府為了推動林口線轉型，台鐵也為了增加支線效益，2005年10月起，桃園縣府與鐵路局合作推動林口支線行駛客運列車計畫，並改稱為「桃林鐵路」，租用兩節列車設立7個簡易車站，非假日之早晨及傍晚各行駛
免費客運列車一班往返，服務桃園至海湖間居民，每日平均旅次量約五百人。
2010年9月以後，進口煤直接從台中港經海路到台北港，再由卡車載運至電廠，加上林口支線桃園段居民抗議列車噪音過大影響睡眠，運煤班次從一日八班減為四班。20列長的運煤車沿縱貫線鐵路，從台中龍井出發，到桃園火車站後轉林口支線抵達林口發電廠，每日可運兩千兩百公噸，但卻僅能應付電廠一半燃煤量，剩下的須靠陸路。
配合桃園鐵路高架化與開發需求，且未來電廠旁的運煤碼頭將在2016年完工啟用，屆時貨輪可直接開入碼頭卸煤。故林口支線將於2013年元旦起停駛，停止運煤及載客服務。據桃園縣府統計，客運開通以來七年多的總載客量近九十萬人次。
林口支線見證鐵路運煤興衰起落，長達40多年的營運史，為感念其貢獻，預定2012年12月27日上午在林口火力發電廠內舉辦「桃林鐵路除役紀念活動」。
除了林口支線外，林口發電廠內還有從德國進口的機車頭，從1968年「服役」至今，罕見掛上台電公司的Logo，把運到電廠門口的煤炭車拉至卸煤場。它也將隨著林口支線退役，未來將保留車頭在廠內展示。
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