2009年2月3日，15号线规划获得批复 。4月2日，15号线开始进场施工 。4月11日，15号线顺义段（国展站至俸伯站）开工 。8月，曾一度取消的望京东站恢复建设 。10月28日，一期一段开始铺轨 。
2010年1月9日，15号线一期工程03标段盾构区间（全长3510米，马泉营站至崔各庄站）实现双线贯通，是15号线首个贯通区间 。1月14日，北京市规划委公布15号线一期规划方案 。2月5日，一期一段望京西站主体完工 。3月25日上午，北京市规划委在其官网对15号线一期的18座车站站名进行公示 。7月14日16时30分左右，顺义站工地发生渗水事故，造成2名工人死亡，8人受伤。 直接经济损失146万元 。事故中的8名相关责任人被移送司法机关处理 （详见主词条：北京地铁M15号线施工事故）。9月2日，一期一段开始空载试运行 ，11月6日开始进行第二阶段空载试运行 。12月30日，一期一段开通运营（其中望京东站暂缓开通） 。
2011年1月，15号线奥林匹克公园站开工，标志着一期西段投入建设 。3月4日上午9时许，石门站工地保温材料起火，无人员伤亡 。7月，一期东段铺轨工作完成 。9月22日16时30分许，石门站工地一根直径400毫米的地下水管被挖断，导致尚在施工中的石门站地下候车大厅遭到水淹。一部分设备被水泡坏。因及时疏散，无人受伤 。12月1日17点38分，崔各庄至马泉营上行区段接触轨无电，影响望京西至马泉营区段列车运行，20分钟后全线恢复正常运营 。 12月31日，一期东段开通运营 。
2012年2月，一期西段正式开工建设 。7月19日，清华东路西口站工地内，两名工人在井下缺氧窒息，一人当场死亡，另一人于次日下午死亡 。
2013年3月20日6时40分，一列车在南法信到后沙峪下行区间发生故障，导致全线停运，8时20分恢复正常 。11月19日，15号线一期西延段（清华东路西口至北沙滩）两座车站命名方案在市规划委网站上进行公示 。
2014年2月，一期西段实现隧道贯通 。5月20日，一期西段实现轨道贯通 。8月24日8时59分，15号线往俸伯方向一列车行驶至南法信站时，第4节车厢第3个车门处有冒烟现象，工作人员采取清空列车措施，经确认是一名乘客充电宝冒烟，该乘客已交由公安处理 。 9月20日，一期西段开始空载试运行 。10月21日，六道口站顺利通过验收 。12月20日至21日，15号线一期西段通过竣工验收 。12月28日，一期西段开通（其中大屯路东站于2015年12月26日开通 ） 。
