1901年，粤汉铁路动工修建，1916年广州至韶关段建成通车，与此同时，广州机务段的前身开始筹建，当时主要负责铁路机车的简单维护和修理，保障早期铁路运输的基本运行。

民国时期，随着铁路运输需求的增加，广州机务段的规模逐渐扩大，开始承担起更复杂的机车检修任务。段内陆续引进了一些新的设备和技术，技术人员和工人的数量也有所增加，为铁路运输的发展提供了有力支持。在解放战争时期，中国共产党发动铁路工人积极参与护路护厂运动，广州机务段的工人为保护铁路设施、迎接解放做出了贡献。

新中国成立后，广州机务段迎来了新的发展机遇。在国家大力发展铁路事业的背景下，机务段进行了一系列的技术改造和设备更新。广州机务段早期以蒸汽机车为主，承担着基本的铁路运输任务。1977年，广州机务段全面更换干线内燃机车，1992年，本段司机张忠英驾驶东风9型0002号机车在北京环形铁道进行冲高实验，打破中国铁路历史最高速度记录，成为第一位驾驶DF9内燃机车打破速度记录的功勋车长。

2009年武广高铁开通运营，广州机务段的驾驶员见证了中国高铁技术迈入世界先进行列。 2015年广州机务段由原广州机务段、原韶关机务段、原三水机务段和原广深机辆部机务部分四段合并组建，是广铁集团规模最大的动车组牵引机务段。近年来，随着高铁的快速发展，广州机务段又大量引入动车组和复兴号等先进车型，实现了从传统机车到高速动车组的跨越，大大提高了铁路运输的速度和质量。

80后高铁司机吴灿明2001年入路，是广州机务段的“全能司机”，驾驶过20余种车型。他经历过非典期间的春运，也体验过在火车上被困50个小时的艰难。他记得刚开内燃机车时，噪音大、密封性差，冬天冷风割脸，夏天闷热难耐，还常被机油喷满身。但他如今开上高铁，条件好了很多，21年的铁路生涯，他多数春节都在火车上度过，用泡面当年夜饭，以“准时送达、平安送达”为工作目标。

广州机务段从传统的人工检修模式，逐步引入智能化维护技术。通过大数据、物联网等手段，实现对机车的实时监测和故障诊断，提高了检修效率和精准度，降低了维修成本和安全风险。