日本 政府 が 1991 年 （ 平成 3 年 ） 11 月 に 仙台 空港 の 滑走 路 を 大型 ジェット機 対応 の 3 , 000 m に 拡張 する こと を 決定 し た の に 合わせ 、 12 月 に 空港 アクセス 鉄道 整備 検討 委員 会 が 宮城 県 を 中心 に 設置 さ れ 、 仙台 市営 地下鉄 南北 線 （ 当時 の 名称 ） の 延伸 、 モノレール ・ 新 交通 システム の 新設 、 JR 線 分岐 など の 案 が 比較 検討 さ れ た 結果 、 1992 年 （ 平成 4 年 ） 8 月 に JR 線 分岐 案 に 決定 し た 。

2000 年 （ 平成 12 年 ） 4 月 に 仙台 空港 鉄道 株式会社 が 設立 さ れ 、 6 月 に 第 一 種 鉄道 事業 の 認可 を 取得 し た 。

仙台 空港線 の 建設 は 2002 年 （ 平成 14 年 ） 12 月 5 日 に 着工 さ れ た 。

建設 と 同時に JR 東日本 で は 仙台 駅 の 改良 や 仙台 空港線 へ 相互 に 乗り入れる ため の 新 形式 の 車両 （ E 721 系 電車 500 番台 ） の 製造 を 進め 、 仙台 空港 鉄道 も 同形 の 車両 （ SAT 721 系 電車 ） を 用意 する など 、 開業 へ 向け て 準備 が 進め られ た 。

また 、 宮城 県 は 2001 年 （ 平成 13 年 ） に 山形 県 へ 仙台 空港 鉄道 へ の 出資 を 打診 し た 。

山形 県民 の 海外 渡航 において 半数 以上 が 仙台 空港 を 利用 し て おり 、 さらに 、 仙台 空港 の 国内線 旅客 の 2 割 が 山形 県民 で ある こと を 鑑み て 、 山形 駅 から 仙山線 ・ 東北 本線 ・ 仙台 空港線 経由 で 仙台 空港 駅 まで 直通 運転 （ 以下 、 「 仙山線 直通 列車 」 ） さ れれ ば 同 県 に も メリット が ある と 判断 し 、 5 , 000 万 円 （ 資本 比率 として 約 0 . 7 %） の 出資 を 予算 計上 し た 。

宮城 県 も 、 仙山線 は 仙台 市 青葉 区 を 東西 に 横断 する 唯一 の 鉄道 路線 で あり 、 愛子 方面 や 北 仙台 駅 で の 乗 継 客 を 見込める こと から 仙山線 直通 案 に は 前向き に 検討 し て い た 。

この 1 日 で 約 2 万 人 が 仙台 空港線 を 利用 し た （ 仙台 空港 駅 ・ 美田 園 駅 ・ 杜 せき の し た 駅 の 自動 改札 利用 の 乗降 人数 の 合計 。

仙台 空港 鉄道 で は 利用 客 を 空港 利用 者 ・ 沿線 から 仙台 へ の 通勤 利用 者 ・ 沿線 ショッピング センター など へ の 買い物 利用 者 の 3 本立て に 設定 し て い た 。

開業 当初 は 仙山線 と の 接続 の 悪 さ （ 仙山線 列車 が 仙台 駅 7 ／ 8 番線 に 入線 する の と 同時に 仙台 空港線 列車 が 同 駅 3 番線 を 出発 ） が 指摘 さ れ て い た が 、 2008 年 （ 平成 20 年 ） 3 月 15 日 ダイヤ 改正 で は 青葉 区 （ 北仙台 ・ 愛子 ） 近郊 ・ 山形 方面 から の 利用 客 取り込み の ため に 、 仙山線 と の 接続 を 重視 し た 時刻 設定 と なっ た 。

1967 年 （ 昭和 42 年 ） に は 仙台 ・ 名取 両 市 を 含む 仙 塩 地区 3 市 1 町 1 村 で の 合併 協議 が 、 1991 年 （ 平成 3 年 ） と 、 1994 年 （ 平成 6 年 ） から 1996 年 （ 平成 8 年 ） にかけて は 、 仙台 ・ 名取 両 市 で の 合併 議論 が あっ た 。

この うち 、 1991 年 （ 平成 3 年 ） の 合併 議論 が 仙台 空港 アクセス 鉄道 構想 と 特に 関係 が ある 。

仙台 市 が 周辺 市町 と 合併 し て 1989 年 （ 平成 元年 ） 4 月 1 日 に 政令 指定 都市 に 移行 し た 際 、 合併 の バーター として 旧 泉 市 （ 現 ・ 仙台 市 泉 区 ） に は 仙台 市営 地下鉄 南北 線 が 泉中央 駅 まで 延伸 さ れ た が 、 仙台 空港 アクセス 鉄道 構想 が 具体 化 し 始め た 1991 年 （ 平成 3 年 ） に は 地下鉄 南北 線 を 空港 まで 延伸 する 案 も あっ た ため 、 仙台 市 と 名取 市 の 合併 話 も 生まれ た 。

この とき 、 名取 市 が 仙台 市 に 編入 さ れる こと で 仙台 空港 も 仙台 市内 と なり 、 臨空 工業 地区 へ の 工場 誘致 が 容易 と なる と の 意見 も あっ た { 誰 | date = 2011 年 3 月 }。

2011 年 （ 平成 23 年 ） 3 月 11 日 に 発生 し た 東北 地方 太平洋 沖 地震 （ 東日本 大震災 ） は 仙台 空港線 に も 重大 な 被害 を もたらし 、 特に 仙台 空港 駅 および 空港 トンネル は 津波 により 甚大 な 被害 を 被っ た 。

車両 は 空港 駅 及び 仙台 駅 に 停車 し て い た ので 大きな 被害 は なかっ た 。

4 月 2 日 から 名取 駅 - 美 田園 駅 間 、 名取 駅 - 仙台 空港 間 において 、 朝夕 を 中心 に 代行 バス が 運行 さ れ た 。

また 4 月 21 日 より 仙台 駅 東口 - 仙台 空港 間 の 臨時 の シャトル バス を 社団 法人 宮城 県 バス 協会 が 運行 開始 し た 。

7 月 23 日 より 名取 - 美 田園 間 で 運行 が 再開 さ れ た が 、 仙台 空港 駅 に 4 両 2 編成 が 停車 し て いる 影響 で 70 % ほど の 便数 で 運行 し た 。

また 代行 バス の 運転 区間 が 美田 園 - 仙台 空港 間 に 短縮 さ れ た 。