大桥的管理建置，筹组于1967年4月，后于1968年10月1日正式设立南京长江大桥管理处。其隶属关係曾三度更迭：1968年10月1日至1975年11月5日为江苏省南京市革命委员会南京长江大桥管理处，市属处级军管单位；1975年11月6日至1979年末，为上海铁路局南京长江大桥管理处，系铁路局直属分局级单位；1980年1月起，改为上海铁路局南京铁路分局南京长江大桥管理处，系站段级基层单位。

2005年，原铁道部召开电视电话会议，宣布实行铁道部—铁路局—站段三级管理模式的改革方案。上海铁路局所辖的上海铁路分局、南京铁路分局、杭州铁路分局、蚌埠铁路分局随后被撤销。

到了2006年，由原南京长江大桥管理处、南京工务段、芜湖大桥维管中心、南京铁路轮渡所合併成立了南京桥工段，仍隶属于上海铁路局。

2013年，上海铁路局南京铁路办事处主任、党工委书记兼上海铁路局副局长姜曦晖告诉《现代快报》记者，为了适应城市发展需求，进一步加强对大桥的管理，铁道部和南京市政府已经初步协商，大桥的公路桥部分很快将移交给地方。

到了2016年8月3日，南京长江大桥公路桥正式由上海铁路局移交南京市。铁路桥部分仍归上海铁路局所有。