上海动车段前身是上海车辆房，建于清光绪三十年（1904年），属上海机车厂管辖。1949年11月，正式成立上海检车段。1951年9月，更名为上海车辆段。1953年1月，上海车辆段一分为二，成立上海车辆客修段和上海车辆货修段，上海车辆客修段成为专一负责客车检修的车辆段。 1963年1月，上海车辆客修段改名为上海车辆段。2005年5月至2006年3月21日，随着路局生产力布局调整，上海车辆段相继合并昆山客车空调设备大修段、杭州车辆段。2009年6月30日，与上海动车基地重组整合更名为上海动车客车段。2010年3月30日，从天目中路465号，搬迁至嘉定区江桥镇翔黄公路600号。2013年6月28日，路局撤销上海动车客车段，分别成立上海动车段、上海车辆段。2016年3月29日，从上海动车段分离出南京动车段，接管南京、南京南、合肥南动车运用所。

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