1990年代初期，國道1號常出現壅塞情況，民眾抱怨連連，為解決交通情況，當時由前總統李登輝執政的台灣省政府住宅及都市發展處著手規劃「機場捷運路線方案」，希望縮短台北到桃園機場的旅運時間。
1996年10月中央政府決定以BOT模式興建「中正國際機場聯外捷運系統」，後來由長生國際開發公司取得興建與30年特許經營權，原計2003年通車，但長生不時傳出資金週轉問題與融資困難消息，讓機捷興建時程一再遲延，最終與交通部高速鐵路工程局終止議約，BOT案宣告失敗。
2003年，前總統陳水扁政府決定改以公務預算自行籌劃興建機捷，改善軌道路線、爬升坡度與車站設置計劃等，後由投標廠商日商「丸紅株式會社」得標機電系統工程，2006年6月在時任行政院長蘇貞昌主持下，宣告「三重站－桃園機場－環北」段工程及機電系統工程動土。
機捷建設走來非「一路順暢」，林口台地一段坡度極大，沿途高架橋與彎道也多，「飛天遁地」的高難度工程，加上台北市政府認為高架路線影響都市景觀、土地利用與安全等問題，主張應以地下方式興建，經協調，「三重站－台北車站」段改以地下方式興建，導致通車時程不斷延後。
原本預定通車時間為2010年，卻連續因號誌及電纜設計等問題，通車日期一再延後，從2013年6月、2013年10月及2014年8月、2015年底到2016年3月等，歷經6次「跳票」。
此外，2009年2月交通部宣布機捷將交給台灣鐵路管理局經營，但經評估，台鐵局確定無法經營，最終委由機場所在的桃園市政府籌組「桃園大眾捷運股份有限公司」經營，名稱定為台灣桃園國際機場聯外捷運系統（Taiwan Taoyuan International Airport Access MRT System）。
機捷從規劃、動工到通車，20年來歷經李登輝、陳水扁與馬英九等前總統與蔡總統執政，一路來遭遇許多技術問題，也受到不少專家、學者與民眾質疑，過程「一波三折」，「好事多磨」，今天正式營運。至於較晚動工的中壢市區段（環北站至中壢車站），預定2018年6月完成。