2001年，北京申办奥运会成功，大大推动了北京地铁建设的进程。2002年，奥林匹克公园设计方案向全球公开征集，评委在55个设计方案中 选出了3个优秀方案。这三个方案都对北京的中轴线进行了延伸和一些处理 ，当选设计也不例外。
紧迫的工期让规划方曾经考虑利用已经建成的13号线或工期较快的5号线建设“奥运支线”。但由于中轴线下已有规划8号线 ，为了不破坏线网的完整性，规划方最终决定采用8号线规划建设奥运支线 。
2005年5月，8号线一期工程开工。工程采用BT（Build-Transfer，即建设－转让）模式，建设方国有企业“中铁总公司投资联合体”建设线路，完成后由运营方回购 。由于位于大兴土木的奥林匹克公园内，8号线大部分采用明挖法施工，为工程降低了难度。
2008年7月19日，8号线一期同10号线、机场线一起开通，当时8号线暂时借用万柳车厂调度10号线列车。这兑现了申办奥运会时的一项承诺：坐地铁从机场到奥运村 。虽然名为“开通”，但直至残奥会结束，都仅对持奥林匹克身份注册卡的人员和持当日门票的观众开放。残奥会结束后8号线封闭 。2008年国庆节长假期间，奥林匹克公园开放游览，8号线对持有当日奥林匹克公园参观券的乘客开放 。2008年10月9日起，8号线正式对公众开放运营，而此前一直封闭的奥体中心站也同时向公众开放 。 在8号线一期开通之前的2007年12月，8号线二期就已经开工。二期工程全长15.8千米，分南北两段，北段自一期北端终点森林公园南门站向北延伸，到达回龙观地区，由北至南分别为回龙观东大街站、霍营站、育新站、西小口站、永泰庄站和林萃桥站；南段自北土城站起，基本沿着中轴线向南到中国美术馆附近——为了避开北京皇城和故宫 ，在什刹海站以南，线路由中轴线向东平移，到三期的前门站返回中轴线。这条线路连接回龙观和西三旗等居住区和后海、钟鼓楼、奥林匹克公园等商业休闲区 。
为了尽快缓解拥堵，8号线二期北段（森林公园南门站至回龙观东大街站）从2012年底提前至2011年开通 。由于8号线一期（奥运支线）采用的是10号线的信号系统，而二期工程使用了不同的信号系统，因此从2011年10月15日起，一期暂时停运，以便与二期进行系统联调 。2011年12月31日二期北段开通试运营，一期也同时恢复运营，同时8号线专属列车和平西府车厂投入运作，不再使用10号线列车和万柳车厂。
南段北土城站至鼓楼大街站已于2012年12月30日通车（安德里北街站暂缓开通），剩余的鼓楼大街站至南锣鼓巷站于2013年12月28日通车（中国美术馆站将随三期北段在2017年开通） 。
在二期工程的基础上，作为昌平线的配套工程，8号线继续北延至朱辛庄站换乘昌平线，以分担昌平线的客流，缓解昌平线另一座换乘站——13号线西二旗站的压力 。这段北延线长6.29千米，设3座车站，计划投资24亿元，于2013年9月起空载试运行 ，2013年12月28日建成通车 。
2015年6月4日，8号线安德里北街站顺利通过预验收， 并已于2015年12月28日开通运营。 8号线三期原为远期规划，不在2015年规划之内。但由于北京道路交通拥堵严重，作为2010年北京市交通拥堵治理措施的一部分，8号线三期被加入到2015年调整版规划之中 ，并于2011年4月2日开始环境影响评价公示 ，2012年11月26日开始第二次环评公示 。8号线三期北起中国美术馆站与二期相连接，向南经王府井大街、前门东大街、南中轴路最终到达大兴区五福堂站，全长17.3千米，全部为地下线，设14座车站和1座停车场 。
在三期工程的基础上，8号线将继续南延。三期南延线北起五福堂与三期相连接，向东南沿京福路（104国道）到达大兴区德茂站和瀛海站，全长3.4千米，地下段长约988.6米，过渡段长约347.3米，高架段长约2062.4米，设2座车站，和1座车厂。
8号线三期将分南北两段开通，珠市口站以南的区段将于2017年年底开通。而北段线路由于经过王府井、前门等区域，沿线有大量文物和其他建筑，以及既有管线和地铁1、2号线、北京地下直径线隧道，2017年无法通车，届时8号线将在南北两段分段运行。2018年年底三期北段建成后，8号线将贯通运营。
2015年3月，8号线天桥站主体结构封顶，为8号线三期首座封顶的车站。 8号线三期南延计划项目名称 起点 终点 长度 车站数 报市规划委 报市政府 报市发改委 报市政府 参考资料8号线三期南延 五福堂 瀛海 3.34km 2 2012.6.30 2012.8.30 2012.10 2012.12
