10号线的雏形是1号线西延过江线，列入《南京市城市快速轨道交通建设规划（2005－2015年）》上报国务院获批。
2010年1月10日南京地铁3号线暨南京地铁1号线西延过江线试验段（即南京地铁10号线）在南京南站举行开工典礼。安德门站至奥体中心站段已建成，是地铁1号线的一部分，地铁10号线一期工程计划于2014年建成，届时该段将并入10号线。
2010年5月6日，南京地铁发布招标文件中，已将1号线西延过江线改称十号线，且对工程予以明确，加入了新建安德门站和小行站——奥体中心站改造工程。
2010年8月2日，南京市规划局对地铁10号线规划作出了调整，10号线在安德门站与1号线进行换乘后，继续向东延伸两个站，分别为雨花台区政府站和卡子门站，卡子门站将与三号线进行换乘，未来还将继续向东延伸至麒麟生态科技城的王五庄站（均为二期工程）。
2012年5月4日，地铁10号线盾构施工正式掘进。
2013年1月30日，江心洲站顺利封顶。
2013年5月2日，地铁10号线列车抵达马群车辆段，正式开始进行调试。
2013年5月3日上午，地铁10号线车辆项目首列车如期交付至马群车辆段，这是继南京地铁3号线首列车交付，又一关键节点的兑现。
2013年5月10日，中国掘进距离最长、埋深最深、水压最高、直径最大的地铁过江隧道——地铁10号线过江地铁贯通。过江部分是地铁10号线建设的关键性控制工程。隧道全长3600米，埋深为58米，合同总价约8.2亿元，合同工期36个月。该项目是国内单洞双线最长穿江隧道，具有掘进断面大、隧道长、水压高、透水性强、局部埋深浅、工期紧的特点。隧道采用直径11.64米的超大型泥水盾构机挖掘施工，是南京地铁首次采用单洞双线过江的盾构隧道。
2013年6月15日，绿博园站顺利封顶。
2013年6月20日下午，地铁10号线实现全线贯通，正式进入铺轨工程阶段。与此同时，地铁10号线绿博园站顺利封顶，这也标志着该线10座车站主体结构全部完工，全面转入附属结构及安装装修施工阶段。其中城西路停车场房基本完成，全面进入安装装饰施工阶段，9月份具备接车调试条件，铺轨工作也在紧张有序的推进之中。
2013年11月30日，实现轨通，2013年12月30日实现电通。
2014年5月31日运营结束后，原1号线安德门至奥体中心区间开始停运改造，6月正式割接至10号线。
2014年6月13日，经试运行检验，各系统工作基本稳定，满足试运营要求。同意工程通过竣工验收。
2014年7月1日上午6点，地铁10号线正式营运。
二期工程
2015年5月，《南京市城市轨道交通建设规划（2015—2020年）》获国家发改委批复，共有8条地铁线入选，包括1号线北延、2号线西延、3号线三期、5号线、6号线、7号线、9号线一期和10号线二期工程，总长度157.2千米。
2015年6月15日，南京地铁十号线二期工程勘察、设计类项目招标咨询（DS7-XY01-01标）开始招标。
2015年11月5日，南京地铁十号线二期工程单项设计、地质勘察、可行性研究报告编制及设计总体-总包管理、岩土工程咨询等相关事务开始招标。
2016年1月27日，南京地铁十号线二期环境影响评价报告招标。
