臺灣光復後於民國34年11月14日成立公共工程局掌管全省公路工程、河川治理與防洪、上下水道、建築管理都市計畫等範圍，公共工程局設公路工程組全盤負責公路工程業務。
民國36年5月16日公共工程局改隸臺灣省政府建設廳，民國38年10月公共工程局奉令裁撤將原經管之公路工程部門歸併於公路局隸屬臺灣省政府交通處，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。
本處於民國41年正月成立，隸屬於臺灣省政府交通處公路局，成立初始僅設有第一工務段（設於雲林縣斗南）及第二工務段（設於嘉義縣水上）等2工務段。
隨著國家基礎建設大力推展，道路交通網路日趨綿密，為應陸續竣工之道路養護需要，本處接續成立第三工務段（設於台南縣新營）、第四工務段（設於台南縣新化）、第五工務段（設於台南縣楠西）、及第六工務段（設於嘉義縣番路）等4工務段。
民國63年5月4日成立麻善大橋新建工程工務所，辦理麻善大橋新建工程。民國63年6月1日成立嘉義博愛路拓寬工程工務所，辦理西部幹線嘉義市博愛路立體交叉等工程。
民國65年10月1日麻善大橋工務所撤銷，國姓橋工務所並於同日成立。民國65年10月1日嘉義博愛路拓寬工程工務所撤銷，成立軍輝橋拓寬工程工務所，辦理嘉義市軍輝橋拓寬工程。
民國66年8月1日成立台南工務所，辦理永康交流道連絡道及相關工程。民國66年間「國姓橋工務所」改名為「國聖橋工務所」。
民國68年10月1日軍輝橋拓寬工程工務所，因階段性任務完成裁撤。
民國69年2月1日國聖橋新建工程因階段性任務完成裁撤。民國69年12月10日台17線八掌溪橋新建工程工務所成立。
民國76年9月1日八掌溪橋新建工程工務所因階段性任務完成裁撤，並同日為辦理台3線(林內-斗六)改善工程需要成立台三線改善工程工務所。
民國80年2月20日成立南化工務所，辦理179線關山產業道路拓建工程。
民國82年1月15日成立草瑞工務所，辦理草嶺瑞里公路及豐山支線新闢工程。
民國83年4月底台三線改善工程工務所因階段性任務完成裁撤。
民國86年4月1日，本處六個工務段按駐地更名為：斗南工務段、水上工務段、新營工務段、新化工務段、曾文工務段及阿里山工務段。
民國88年6月25日增設嘉太工務所，辦理高速鐵路嘉義太保站區聯外道路系統改善計劃。
自民國88年7月1日起配合政府精省作業依「臺灣省政府功能業務與組織調整暫行條例」機關改隸中央，更名為「交通部公路局第五區工程處」。
民國88年7月1日草瑞工務所因階段性任務完成裁撤。
民國91年因「公路總局所屬各區養護工程處組織通則」奉核定發布，本處機關全銜復更名為「交通部公路總局第五區養護工程處」，並自民國91年1月30日施行。
民國92年7月16日台南工務所因階段性任務完成裁撤。
93年3月1日成立雲林工務所，辦理高鐵雲林站區聯外道路及北港大橋（三）新建工程。
民國107年1月15日機關修編，人事制度由交通資位制改為簡薦委制，嘉太工務所及雲林工務所同日裁撤，人員及業務分別併入水上工務段及新化工務段。
本處機關銜稱為「交通部公路總局第五區養護工程處」，處本部設有企劃科、工務科、養護科、勞安科、產管科、交通管理及控制中心等5科、1中心及秘書室、人事室、主計室、政風室等4室；另派出單位設有斗南工務段、水上工務段、新營工務段、新化工務段、曾文工務段(中崙監工站)、阿里山工務段(石卓監工站、瑞里監工站、番路監工站)等6工務段及4監工站。本處阿里山工務段「石卓監工站」奉交通部路總局111年4月26日路人力字第1110047218號函同意更名為「石棹監工站」。
民國112年9月15日因應行政院組織改造，組織修編由「交通部公路總局第五區養護工程處」更名為「交通部公路局雲嘉南區養護工程分局」。
現行本分局組織銜稱為「交通部公路局雲嘉南區養護工程分局」，分局本部設有企劃科、工務科、養護科、職安科（原名勞安科，配合112年9月15日組改機關修編更名）、產管科等5科、交通管理及控制中心1中心及秘書室、人事室、主計室、政風室等4室；另派出單位設有斗南工務段、水上工務段、新營工務段、新化工務段、曾文工務段(中崙監工站)、阿里山工務段(石棹監工站、瑞里監工站、番路監工站)等6工務段及4監工站 。