沈阳铁路局的管辖范围以沈阳枢纽为核心,其南端起点为大连站,沿长大线延伸,直至哈长线蔡家沟与兰棱之间的167.0公里处,以及拉滨线五常与杜家之间的120.9公里处,再至通让线太阳升与立志之间的335.0公里处,最后在平齐线街基与泰来之间的450.0公里处与哈尔滨铁路局的边界相接。
在东部,沈阳铁路局延伸至长图线的图们江国际铁路大桥,具体位置在529.4公里处,以及梅集线的终点,即250.8公里处,而西部则止于京通线的河洛营与隆化区间,距离为244.6公里,锦承线的杨树岭至平泉区间则为335.0公里,与北京铁路局相邻。东北方向,从牡图线的鹿道至斗沟子之间的146.3公里处起,直至与朝鲜民主主义人民共和国的接轨点,丹东鸭绿江大桥,距离为254.9公里。而在西北方向,沈阳铁路局延伸至内蒙古自治区白阿线伊尔灺354.7公里处,以及通霍线的终点416.6公里处。
整个沈阳铁路局的铁路网络覆盖广泛,营业里程总计达到9320.9公里。其中,双线铁路长度为2593.7公里,电气化铁路里程1481.1公里,内燃牵引铁路里程占7840.8公里。具体分布情况如下:在辽宁境内运营里程为3933.9公里,吉林省境内为3474.6公里,内蒙古自治区境内为1628.9公里,河北省境内有171公里,而黑龙江省境内则有112.5公里的铁路线。
沈阳铁路局位于东北路网的中南部,南与北京局、北与哈尔滨局相邻。管辖线路跨及辽宁、吉林省的全部,内蒙古自治区东南部,黑龙江省南部,河北省东北部分地区,共辐射4省1自治区,32个地级市、盟、自治州,188个县、县级市、旗、县级区。总人口7900余万。