南陽車務段1970年6月5日隨焦枝線開通而籌建，1992年初管轄焦枝線分水嶺至鄧湖間23個車站，營業里程188公里，後焦枝複線改造，撤銷371線路所、賈營、大王營、油坊和周崗車站，截至1993年底，管轄18個車站。
1998年，南陽鐵路地區撤銷，人員和設備移交南陽車務段。
2003年底，為適應寧西線開通運營需要，南陽西車務段籌建組撤銷，併入南陽車務段，焦柳線分水嶺至夏莊間9站劃歸寶豐車務段。
2004年元月，寧西線通車，全段管轄車站增至38個。
2004年11月，路局、洛陽鐵路分局進行生產力佈局調整，寶豐車務段撤銷，焦柳線商酒務(不含)以南11個車站劃歸南陽車務段，寶豐車站整建制併入南陽車務段，南陽車務段晉升為一等甲級段，管轄50個車站。
位於車站北路的車務段機關大樓
2005年3月18日，更名為鄭州鐵路局南陽車務段，升格為正處級單位。
2006年3月，南陽車站整建制劃歸南陽車務段，全段管轄53個車站。
2009年隨焦柳線洛襄段電氣化改造，撤銷刁河店、九里山、皇路店和聞莊四站，至此，全段營業里程556公里，管轄車站49個，輻射三省五市十五縣區，跨越焦柳、寧西線，其中，焦柳線管轄平頂山西至耿坡間16個車站（K234+956M—K474+098M），計239.142公里；寧西線管轄李家灣至富水間等33個車站（K248+285M—K563+617M），計315.332公里；孟寶線(K99+528M—K98+009M)，計1.519公里，成為鄭州鐵路局管理車站最多、營業里程最長、管轄範圍最大的車務站段。
南陽車務段曾經管轄52箇中間站，是全路最大的車務站段之一
南陽車務段所轄車站按技術作業性質分：區段站2個、中間站46個、線路所1個；按業務性質分：客貨運站20個、僅辦理客運站10個、不辦理客貨運業務站29個；按車站等級分：一等站1個、二等站4個、三等站8個、四等站11個、五等站25個。
2010年8月，段生產調度指揮中心落成，段機關由南陽市鐵路東街53號移至南陽市車站北路。
自2014年5月起，為配合寧西鐵路複線建設，車務段陸續撤銷一批五等中間站，相繼撤銷了郭窪、曲佰科、晁陂、灌張鋪、仝堂、金華鄉等車站。
2017年11月，鄭州鐵路局南陽車務段更名為中國鐵路鄭州局集團有限公司南陽車務段，目前管轄焦柳、寧西兩線32箇中間站，營業里程覆蓋三省（豫、鄂、陝）兩市（南陽、平頂山）十五縣區。
鄭萬高鐵南陽南站效果圖
隨著明年鄭萬高鐵河南段及蒙華鐵路的開通運營，南陽車務段的管轄範圍有望進一步擴大，在豫西南的鐵路樞紐地位將更加凸顯。
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