集集支線由彰化二水車站向東沿濁水溪至車埕，沿途經過源泉、濁水、龍泉、集集、水里，終於車埕。二水至源泉2.9公里，源泉至濁水7.9公里，濁水至龍泉4.9公里，龍泉至集集4.3公里，集集至水里7.4公里，水里至車埕2.3公里，全長29.7公里，是臺鐵各支線鐵路最長的一條。

大正8年（1919）臺灣電力株式會社興建日月潭門牌潭發電所（日月潭第一發電所，現為大觀第一發電廠）、日月潭第二發電所（鉅工發電廠），為運送工程材料，拓寬二水到外車埕的輕便鐵路，大正10年（1921）10月完工，大正11年（1922）1月15日通車。昭和2年（1927）4月由臺灣總督府買收並進行路線改善，成為鐵道部所轄支線。

集集線自西徂東沿線車站有：

二水站

明治38年（1905）1月15日設「二八水驛」，大正10年（1921）改名為二水驛，昭和10年（1935）拆除原本的木造站房，改建為宇敷赳夫設計的混凝土站房，使用至今。

二水北倚八卦台地，南臨濁水溪。二水之名源於施厝圳（八堡一圳）與十五庄圳（八堡二圳）間有分圳自施厝圳引二成水量注入十五庄圳，被稱為「二分水圳」或「二八水圳」，該分圳經過的聚落因此名為「二八水」。清代行政區劃定名為「二八水莊」，屬東螺東堡。日治初期沿用「二八水庄」名稱，大正9年（1920）街庄改制，簡稱為「二水」。

二水市區附近有間為紀念教導開鑿八堡圳引水法林姓老人的林先生廟，彰化縣志（1834）水利篇記載：「康熙五十八年，庄民施長齡築時，圳道難通，有自稱林先生者，繪圖教以疏鑿之方，於是通流灌溉五十餘里之田。迨圳成欲謝之，查尋並無其人。今圳寮奉祀神位，不忘功也。」同書人物誌行誼篇載：「林先生不知何許人也，衣冠古樸，談吐風雅。……問以名字，笑而不答，固請，乃曰：但呼林先生可矣！……水圳成時，世榜將以千金為謝，先生辭弗受，亡何竟去，亦不知其所終，今圳寮祀以為神……」和北彰化的汪（寶箴）先生廟相同，都是先民飲水思源的感念。

源泉站

大正11年（1922）開通時以源泉舊名鼻子頭為站名，民國51年（1962）因有施厝圳和十五庄圳改稱源泉。民國68年（1979）5月降級為招呼站。

濁水站

大正11年1月啟用時名為名間驛，同年3月即改稱濁水驛。濁水站民國56年（1967）改建，毀於921地震，民國92年（2003）新站房完工。台3線和台16線交會於此，是當地的交通中心，車站右側有軍用倉庫。

龍泉站

大正11年1月14日設隘寮驛，民國51年（1962）4月1日改稱龍泉站，民國68年（1979）5月改為招呼站，沒有站房，只有一座有遮雨棚的島式月台，車站旁有一棵百年苦楝。

集集站

大正11年1月14日設集集驛，78年（1989）11月1日由三等站降為簡易站，由濁水站管理，同年12月10日改為二水站管理。

集集原稱為「半路店」，因早期店鋪街聚落恰位於西方「林尾」與東方「柴橋頭」中間，為聚集生活必需品以交易，故稱「集集」。另一說，「集集」出自水沙連Chipu chipu社之譯音漢字。

車站建於昭和8年（1933），純檜木日式建築，於921地震倒塌，民國96年（2007）修復完成。大正11年（1922）集集線通車後被水里取代了物資集散地的地位。附近的古蹟有明新書院、光緒13年（1887）春雲林撫墾局委員陳世烈所題「化及蠻貊碣」、同治年間吳光亮題於集集埔草嶺腳濁水溪畔的「開闢洪荒碣」。

水里站

大正11年1月14日設水里坑驛，民國41年（1952）12月1日改為水裡站，56年（1967）10月10日改稱水里站，78年（1989）11月1日由三等站降為簡易站，由濁水站管理，同年12月10日改為二水站管理。

水里位於濁水溪與水里溪合流處台地，原名「水裡坑」，是進入水沙連及日月潭南路所在，因毗鄰水社，故名水里，地形由東向西低降，南向為平緩的台地與河谷地形，海拔243~1266公尺，水里溪貫穿，形成狹長的谷地。水里溪發源自日月潭、頭社、銃櫃、五成等盆地山區，上游有鉅工、大觀、明潭、明湖等發電廠。

水里原是原住民聚居之地，漢人於光緒3年（1877）始進入水沙連地界（頂崁村）開墾，清朝至日治期間，樟腦產業吸引客家及閩南移民遷入定居，民國50年代伐木業的全盛期，此地木材商人聚集，有「小台北」之稱。

水里站是集集支線最大的車站，為由二水站派人管理售票的簡易站，車站地勢較高，前有長階梯。

車埕站

大正11年1月14日設外車埕驛，民國50年（1961）更名為車埕站。埕是臺語「場」的意思。大正5年（1916）埔里糖廠以台車運糖到車埕，在此轉運，台車停放在廣場，因而得名。車埕的特色有三，鐵道、水力發電、木業文化。

車埕是集集支線的終點站，原來的火車站是鋼筋水泥結構，毀於921地震，重建的站體以木質材料為外觀。早期蒸氣式火車會在車埕加水加炭，當年的加煤平台和加水塔（鶴嘴）仍在，號誌樓是從竹南站移來，為提供鐵路員工休息和車輛保養維修，有日式職員宿舍、鐵路倉庫、機廠等設施，也被保存下來。

車埕緊鄰明潭水庫的大壩，大壩依水里溪河谷而建，攔蓄日月潭發電沖下的水做抽蓄式發電，水庫裡有明潭抽蓄電廠。

民國47年（1958）振昌公司取得丹大林區的採伐權，在車埕設立丹大事業部，開築丹大林道，為便於木材經由鐵路轉運，在車埕建木材加工廠，引進技工近千名，小鎮因此繁榮。民國75年（1986）林業政策禁止伐木後，該年12月底振昌公司停工，員工散去，多年後木材廠已頹圮，沿山坡興建的日式員工宿舍轉型為觀光老街，伐木遺留的貯木池和搬運木材的天車，成為車埕特有的地標。天車被黑色木板包覆的外型像拱門，用來吊起貯木池的木頭放上輕便車送到工廠加工，兩座天車，一座將原木吊起放進水池，一座負責從水中吊起原木。