集二铁路全线都在内蒙古自治区境内，起自京包铁路集宁南站，终到中蒙边境的二连浩特口岸，全长336公里。目前为非电气化铁路，集宁南至贲红区段为复线，贲红至二连区段为单线。
二连浩特口岸
二连浩特-扎门乌德口岸位于内蒙古锡林郭勒盟二连浩特市与蒙古国东戈壁省扎门乌德市之间，357号界碑处，中方的集二铁路与蒙方的蒙古纵贯铁路通过该口岸相连接。“扎门乌德”蒙语意为“道路之门”；“二连浩特”这个名字与部队无关，在蒙语中，“二连”意为“海市蜃楼”，“浩特”意为“聚居地”。二连站是中国境内最后一个车站，有宽轨52条、准轨65条，拥有亚洲最大的散堆装货场和换轮库。截至2019年底，仅经二连浩特铁路口岸出入境的中欧班列就超过3000列。
二连浩特口岸有多对国际旅客列车，有每周一趟的北京经乌兰巴托至莫斯科的K3/4次，北京至乌兰巴托K23/4次列车，呼和浩特至乌兰巴托的4653/4次列车，以及每周两趟的二连浩特至扎门乌德的681/5次列车， 旅游 旺季还会加开列车。K3/4次国际列车大名鼎鼎，1959年6月4日起开行，是继走满洲里口岸出入境的K19/20次列车后北京与莫斯科间第二趟国际列车，连接中蒙俄三国首都，全程7819公里，比后者运行里程缩短1141公里，被誉为“中华第一车”。
宽轨与换轮
中国人常称蒙古国为“外蒙古”，以与内蒙古相区别。外蒙古原先也是中国领土，清朝宣统三年，即公元1911年底，外蒙古在沙俄的支持下宣布独立，此时正值辛亥革命期间，清政府覆亡在即，自顾不暇。1917年，俄国爆发十月革命，沙皇政权被推翻，苏维埃政权建立，资产阶级与旧贵族在西方列强的支持下组成白军，与红军展开持续四年的苏俄内战。1919年，北洋政府派徐树铮将军率军收复了外蒙古。但1921年，俄国白军罗曼•冯•恩琴男爵率领所谓“亚洲骑兵师”攻占外蒙古，随后苏联红军以“清剿白军”为名侵入外蒙古。1922年，苏俄内战结束，白军被剿灭，但苏军并未撤出蒙古，还借机吞并了原属中国的唐努乌梁海地区，成为今天的俄罗斯图瓦共和国。1924年底，苏联扶持的蒙古人民党宣布成立蒙古人民共和国，定都库伦，改名“乌兰巴托”，允许苏联驻军。1946年，在苏联的威逼下，国民政府只得承认外蒙古独立。
新中国成立后，与苏联和蒙古国同属 社会 主义阵营。1952年9月15日，中苏蒙三国政府签订了关于修建集宁至乌兰巴托铁路并开办三国之间铁路联运的协定。蒙古纵贯铁路，从苏蒙边境的苏赫巴托经乌兰巴托至中蒙边境的扎门乌德，全长1879公里，自北向南穿过整个蒙古国，时至今日，它也是蒙古国仅有的铁路干线。1947年，苏联就开始着手建造连通蒙古国的铁路，从西伯利亚大铁路乌兰乌德站引出，1950年铺轨至乌兰巴托。三国协定签署后，铁路开始从乌兰巴托南延，1955年修至中蒙边境。中国方面，1953年5 月集二铁路开工，1955年12月1 日竣工，1956年1月3日在中蒙边境举行了两国铁路接轨典礼。1月4日，中苏蒙三国政府发表联合公报，宣布三国铁路接轨。
因中苏两国轨距不同，且苏联铁路是靠右行驶的，中国则靠左行驶。为方便国际列车的开行，集二铁路与蒙古纵贯铁路均采用1520毫米的俄式宽轨并全部靠右行驶，集二铁路也就成了中国唯一一条宽轨也是唯一一条右行的铁路，此举凸显出苏联“老大哥”的强势地位。集宁南站设有换轮库，国际列车在这里将宽轨转向架换为准轨。
社会 主义阵营虽然表面团结，实际上内部矛盾重重。20世纪50年代初，考虑到中苏同属 社会 主义阵营，驻蒙苏军一度撤离。但60年代，中苏交恶，曾经的“同志加兄弟”反目成仇。1962年起，苏军重返蒙古国，至1965年，实际上已形成了对蒙古国的军事占领。驻蒙苏军和技术人员超过15万，超过当时蒙古国总人口的十分之一，蒙古国实际成了苏联的“第十六个加盟共和国”。直至1992年苏联解体后，才撤出蒙古国境内所有军队。
为防止苏联以蒙古国为桥头堡进犯中国，尤其是沿着集二铁路长驱直入。1965年10月，时任中国国防委员会副主席的罗瑞卿大将下令将集二铁路由宽轨改为准轨，换轮库也移至中蒙边境的二连浩特。苏联也针锋相对，弄出一批“宽轨-准轨通用转向架”，改造方案充满“毛子”得“简单暴力”，因准轨与俄式宽轨仅相差约8厘米，“通用转向架”内侧轮沿之间为准轨轨距，踏面做的特别宽，能够架在宽轨上，勉强实现了“兼容”。
增设铁路口岸
中蒙边境线长达4710公里，是中国所有邻国中最长的。但近70年间，二连浩特口岸都是中蒙之间唯一的铁路口岸。2004年，两国达成《中华人民共和国政府和蒙古国政府关于中蒙边境口岸及其管理制度的协定》，计划增建策克-西伯库伦、甘其毛都-嘎顺苏海图、珠恩嘎达布其-毕其格图3个铁路口岸。
策克-西伯库伦口岸位于内蒙古阿拉善盟额济纳旗与蒙古国南戈壁省之间，572号界碑处，设立该口岸的目的是为了开发蒙古国境内距国境不到50公里的那林苏海特煤田，2005年开通公路口岸。2007年，酒泉钢铁集团投资修建的嘉策铁路建成通车，嘉策铁路南起甘肃省嘉峪关市酒钢厂区，北抵策克口岸，全长452公里，由酒钢集团管理运营，为单线非电气化铁路。2010年，东起内蒙古巴彦淖尔市临河区，西至策克口岸，全长768公里的临策铁路开通。同样为单线非电气化铁路，由呼和浩特铁路局所属的临策铁路公司管辖。中国一直有将铁路通过策克口岸延伸进蒙古国的计划，但一直未能实施。
甘其毛都-嘎顺苏海图口岸位于内蒙古巴彦淖尔市乌拉特中旗甘其毛都镇和蒙古国南戈壁省嘎顺苏海图镇之间，703号界碑处，原称“288口岸”，有公路相通，“甘其毛都”是蒙语“一棵树”之意。为开发并进口外蒙古的煤炭资源，2012年，自内蒙古包头市万水泉南站至甘其毛都口岸，全长367公里的甘泉铁路通车。甘泉线由神华集团管理运营，为单线电气化铁路。并计划修建甘其毛都口岸至蒙古国塔温陶勒盖煤矿区，全长为267公里的单线非电气化铁路，这段铁路不与蒙古国境内其它铁路相连，仅与中方铁路对接，故采用准轨，目前多数区段都已铺轨，计划2022年中旬通车。
珠恩嘎达布其-毕其格图口岸位于内蒙古锡林郭勒盟东乌珠穆沁旗与蒙古国苏赫巴托省之间，1046号界碑处，已开通公路口岸。2014年7月，东起内蒙古霍林郭勒市通霍铁路珠斯花站，西至珠恩嘎达布其站，全长358公里的珠珠铁路建成通车。珠珠线由沈阳铁路局管辖，为单线非电气化铁路。中国计划将铁路过珠恩嘎达布其口岸北延，经蒙古国乔巴山与俄罗斯西伯利亚大铁路相连接，目前仅有初步计划。