公路局於民國三十五年八月一日由臺灣行政長官公署自交通處鐵路管理委員會汽車處改組成立，在民國三十八年十月一日省建設廳公共工程局撤銷後，公路工程部份移由公路局接管，並在全台設五個區工程處辦理全台公路養護及新建工程事項。
本處成立之初在處本部設置工務課、機務課、總務室、主計室、人事室等二課三室，在下設第一、二、三個工務段，第一工務段於民國四十四年十月一日成立岡山、鳳山、旗山等三個監工站；第二工務段於民國三十八年二月十五日設恆春監工站、民國四十四年九月十六日成立屏東、楓港等二個監工站、民國五十八年四月一日成立東港監工站等計四個監工站；第三工務段於民國四十四年三月一日成立大武監工站、民國四十四年十二月一日成立成功監工站、民國六十五年六月七日成立利家監工站。
另為辦理臨時工程於民國六十二年四月十六日成立機械施工隊，民國六十七年十月一日再增設第六工務段，次年二月十二日成立第七工務段，並同時將原屬第二工務段之恆春、楓港二個監工站改隸屬第七工務段，再為配合高屏地區交通改善拓建計劃工程於民國六十九年三月一日成立鳳林工務所及屏新工務所，後於民國八十二年七月因業務完成先後裁撤。民國八十年四月一日機械施工隊因業務精簡而裁撤，另於同年三月一日成立旗山工務所辦理旗山地區台三線及一八四線拓寬改善工程。民國八十一年九月為辦理里嶺大橋拓寬工程成立里嶺工務所，另為辦理東部濱海公路台十 一線拓寬工程於次年十二月再增設東濱工務所。
民國八十五年度省議會總預算案附帶決議事項：省府所屬各廳、處、局科室多有以數字為名稱者易生混淆，應改其科室名稱。依此原則本處於八十六年四月一日起將七個工務段分別依地區名稱更名為：高雄、潮州、台東、甲仙、關山、澎湖、楓港工務段。另為辦理澎湖望安至將軍跨海大橋及兩站引道興建工程另於八十八年十一月一日成立望安工務所。
至此，公路局原隸屬於臺灣省政府，因省政府組織精簡迄至民國八十八年七月一日改隸中央，直屬交通部，本處亦隨之更名為交通部公路局第三區工程處。俟「各區養護工程處組織通則」於九十一年一月二十一日經總統公布，本處於同年一月三十日更名為交通部公路總局第三區養護工程處。
因應交通部公路局組織法立法公布，交通部公路總局機關名稱於112年9月15日由「交通部公路總局」變更為「交通部公路局」，爰所屬機關之名稱亦有變動，本處由「交通部公路總局第三區養護工程處」變更為「交通部公路局南區養護工程分局」。