新中国成立后，随着国民经济的迅速恢复和发展，原有的津浦铁路已经无法满足日益增长的运输需求，特别是在济南站的运量方面。于是在1957年5月，铁道部第三设计院接手了德州至茅村段的设计任务，预算为12701.3万元。由于“大跃进”运动的推动，这条双线铁路的建设被提前至1958年7月启动，设计院的初步设计工作因此中止。
在“全党全民大办铁路”的号召下，地方政府给予了大力的支援。山东省成立了专门的津浦复线修建指挥部，济南铁路局也集结了8个工程队以及高达20万的民工，工程从德州站外238公里处延伸至蚌埠站外832公里处，全面展开。其中，重点施工区域包括德州至徐州间的于官屯至晏城、北集坡至吴村、薛城至韩庄，这三个共计147公里的路段在当时是运输最为紧张的地带。
施工期间，截至1960年，完成了大量的土石方挖掘，共计1700万立方米，铺设正线轨392公里，并建设了503座桥涵，其中包括13座大桥。这一系列工程的完成，进一步巩固了德州的交通地位。1940年，随着石德铁路的开通，德州的交通枢纽作用愈发显著。1969年，南京长江大桥的建成使得南京成为北京和上海两大城市之间的关键中转站，这也意味着津浦铁路的使命得以延伸并更名为京沪铁路。