新中国成立前，广西的铁路建设和运营相对落后，当时南宁地区没有专门的机务段来负责铁路机车的运用、维护和管理等工作。1951年1月17日南宁机务段成立，接入第一批KD5型蒸汽机车12台。该型机车是美国于20世纪20年代制造的，曾在粤汉铁路等线路上使用。

1962年南宁机务段还配属了PL9型蒸汽机车2台。PL9型机车是英国于1934年制造的客运蒸汽机车，轴式为2-8-2，曾在滇越铁路上使用。1986年，正线牵引货物列车的机车更换为国产前进型和建设型蒸汽机车。

1992年，为适应客运工作需要，铁道部调配南宁机务段东风4型内燃机车2台，用于南宁—凭祥间客车牵引。1997年9月，南昆铁路使用韶山3、韶山7、韶山7B、韶山7C等电气化机车。

2012年起，南宁机务段从柳州机务段接收了东风4B型、东风4C型、东风4D型柴油机车。2013年11月，接收和谐1C型电力机车。2009年合并原玉林机务段。如今，南宁机务段担当桂、湘、黔、粤等地区7条普铁、5条高铁以及凭祥至同登国际联运牵引任务，拥有4000多名职工，在机车检修等方面也具备完善的场地和能力，下辖多个运用车间。

南宁机务段的李桂平工作35年，埋头钻研火车技术。他开发了软接地查询仪、LCU插件板故障检修测试仪等多项科研革新成果，有10多项获得国家专利，每年为单位节约大量检修成本，还成立了“李桂平电力机车司机铁路技能大师工作室”，发挥模范带头作用，助力铁路发展。

南宁机务段动车司机孙定远，从2009年大学毕业被分配到南昆铁路，安全行车14年、运行超过132.7万公里。他克服了山区铁路行车的诸多困难，还钻研出《CR300AF动车组平稳操纵办法》并在全广西推广，为壮乡高铁事业发展贡献力量。