广州地铁5号线是广州地铁的运营线路之一，属于城市轨道交通，代表色为红色。该线路是广州地铁线网中的一条东西向干线，目前共设24座车站以及1个车辆段。现时线路西起荔湾区芳村滘口，东至黄埔区文冲。车厢编制为6节L型编组列车。
五号线大致呈东西走向，略呈宽“n”字型，起点在芳村大道西的南侧、滘口客运站东侧，沿珠江大桥西桥北侧与珠江大桥放射线并行跨越珠江前往大坦沙岛，自坦尾站后从高架进入地下，向东穿过南岸路与中山八路交叉口，再折向北经过和平新村，穿过一片建成区到达西村站。之后沿环市路走廊敷设。过动物园南门后折向南行到杨箕站。经五羊新城向东沿花城大道穿越珠江新城、员村地区之后向东北，折回黄埔大道，经黄埔大道-科韵路口、东圃、鱼珠、茅岗，折入黄埔区大沙地路，最终抵达文冲，全长约31.9公里。
五号线的鱼珠车辆段，位于三溪站东北方，路线的控制中心亦设在其中。同时，鱼珠车辆段是广州地铁的直线电机列车架修、大修基地。
五号线的地下路段也是国内盾构区间地质最复杂的隧道。
在1997年的《广州市城市快速轨道交通线网规划研究（最终报告）》中，当时的3号线已经与现时5号线大致相同，但当时线路通过西村后继续沿环市西路，到达南岸路后则过江前往大坦沙岛上的河沙村，再度过江前往金沙洲，以沙贝为西端终点；中段则通过淘金站后开始转向东南，在东山口站与1号线换乘，随后转入寺右新马路、花城大道，通过五羊新城、珠江新城；再转入黄埔大道，在通过茅岗立交后继续沿黄埔东路延伸，在夏园分岔，一支继续前往新塘一带，另一支则转入夏港大道，以黄埔客运港为终点。
后来于2003年方案中，该线路编号变更为5号线，西段改为西场站后大致向西南偏南转入中山八路，随后通过珠江大桥东西两桥，大致与广三铁路平行，到达芳村，现滘口客运站为西端终点。中段在通过淘金站后继续沿环市路伸展，在区庄立交东侧设站后转向东南偏东，改为在杨箕站与1号线交汇；而东段往黄埔客运港之支线独立成为当时的14号线，在文园转向北边，随后转向西边进入大沙地后再进入中山大道，大致向西北延伸。随后2003年方案局部修改，5号线与当时的14号线交换茅岗立交以东路段，并在茅岗立交南边交汇，故5号线改为在茅岗立交南边转向东北接入大沙地路，然后沿大沙地路东西向西延伸，最后转入夏港大道到达黄埔客运港。黄埔东路往新塘一段现时则成为13号线的一部分。同时应市民强烈要求，在广州动物园南门的环市路上增设动物园站，随后才以一个小半径曲线进入杨箕站。五号线的走向得以基本定型。
2004年5月28日，正式动工建设五号线首期工程（滘口至文冲段）。大坦沙-西场、西场-草暖公园、草暖公园-淘金，三个盾构区间共三台盾构机在2006年6月26日同时始发，标志着五号线全面动工。由于五号线穿越多个地质恶劣地带，工程进展不太顺利，曾出现涌水、地陷等险情，也出现过施工意外，甚至影响到了路面交通。工程同时也对1号线，2号线的既有车站杨箕站及广州火车站进行改造，让其适应与5号线换乘的需要。
2009年4月19日凌晨，西草区间右线盾构机抵达西村站，标志着五号线区间全部贯通。同年9月20日凌晨，广州地铁五号线热滑获得圆满成功。在10月15日，市民代表受邀试乘五号线。2009年12月28日上午，广州地铁五号线开通仪式于珠江新城站地面举行，同日下午2时，全线正式通车，对外运营。
五号线虽然全线以六节编组进行设计，但原计划是先使用4节编组列车进行运营，远期才扩编至6节编组。后来由于仅使用3节编组列车的3号线过于拥挤，意味着“小编组高密度”模式无法满足骨干线路的需要。在2008年，地铁公司透露5号线开通时将直接使用6节编组列车。
2010年5月3日（五一假期的最后一天）下午1时许，5号线发生信号故障，造成了开通以来第一系影响最严重的列车晚点延误，直到下午3时15分，行车间隔才恢复到正常。
2011年1月10日晚上10时30分左右，5号线一列往滘口方向的列车（列车编号为05x055-05x056）在小北站至广州火车站区间发生纵火案，一名乘客点燃携带的煤气罐引致起火爆炸，列车抵达广州火车站后，车内冒出大量白烟。事件导致一名乘客头发被烧，一乘客撞伤，而嫌疑人趁乱逃走。事件引发市民对地铁安全的担忧。事后数小时公安将犯罪嫌疑人吴某（湖南籍）抓捕归案。
2014年3月4日上午，5号线往滘口的列车在广州火车站至西村站区间行驶时列车车尾有两少年玩弄一瓶状物，该物发出刺激性气味。车上乘客在疏散过程中发生挤碰，致4人皮外轻微擦伤。公安部门随后在现场找到该瓶子，初步查明为女性防狼喷喷雾。这亦导致广州地铁在亚运之后部分车站开始恢复安检。
2014年8月28日上午，5号线中山八至西场上行区间被地面施工单位钻探机钻穿，导致线路运营出现延误、部分站点停运。地铁公司调整行车方案并组织公交接驳，于中午12时08分排除隐患，全线列车于13时10分恢复正常运行。经初步调查，该事件系由地铁11号线勘察三标段的钻探施工单位广州中煤江南基础工程公司擅自更改钻探孔位置而造成的。
目前五号线全长31.9公里，共设24座车站，滘口站和坦尾站两座为高架车站，其余二十二座均为地下车站，现时有8座换乘站。
另外，本线的动物园站为广州地铁系统中首个采用“叠式站台”的地铁站。
五号线目前除早高峰开行4趟“滘口-三溪”双向短线车外，其余时段所有列车皆往返滘口站及文冲站之间。
此外，每晚23:15往文冲的末班车开出之后，将开出往三溪站的短途班次列车，至23:30。此短途班次列车到达三溪后不会折返，并随即返回鱼珠车辆段。
5号线沿环市路、花城大道和黄埔大道等多条广州市区重要东西向主干道行走，连接广州两大新旧CBD（淘金、珠江新城）、市区内多个商业区、新旧住宅区以及多个城中村，亦和2号线一同连接广州火车站，更是天河区东部和老黄埔中心城区连接广州市区的唯一地铁通道。因此5号线乘客众多，通车后更立即成为继1号线之后的又一条广州市区东西向大动脉。
2009年12月31日，5号线开通仅短短4天的时间即创下日客运量56.7万的纪录，跨越了1号线从开通到客流突破50万大关需时10年的历程。现时5号线日均客流量亦已突破一百万人次，位居广州地铁各线前列。而且5号线行经的环市路和黄埔大道的路面经常出现交通挤塞，令沿线不少乘客转投地铁出行；再加上5号线客流水平与1号线相当，但5号线采用6节L型车编组，列车运力仅及1号线6节A型车编组的约70%。因此令5号线全天候的载客量一直居高不下，早晚高峰期列车经常出现严重挤迫的情况，重点换乘站（广州火车站、杨箕、珠江新城、车陂南及鱼珠等）的站台更是水泄不通。2018年3月份，全线早高峰外围往市区方向满载率超过100%。
13号线首期开通后，因接入鱼珠站并作为唯一换乘站，且5号线使用的列车，载客量仅为13号线8节A型车编组的52.5%，虽然5号线班次比13号线频密近3倍，但13号线依然加重了对5号线的客流压力。21号线接入员村站后，将继续加剧5号线的拥挤情况。因此运营方在2019年10月30日至31日早高峰试行加开滘口至三溪的区间车以缓解本线路早高峰的压力，直至12月8日开始常态化加开区间车。同时在2019年12月18日起，早高峰新增工作日文冲站、大沙东站早高峰常态化客流管控，并延长员村站、大沙地站、三溪站、东圃站、车陂站早高峰常态化客控时间。至此，5号线东段从文冲至车陂南连续7站，早高峰全部实现常态化限流。
预计需要在同样来往市区的13号线二期通车后，才能有效分流乘客。
5号线自通车起，全部使用6节编组的广州地铁04型城轨列车营运，VVVF交流直线电机传动，在正线营运时采用第三轨供电，车辆段内则采用接触网供电。设计时速100公里每小时，最高运行时速90公里每小时。
该列车共分为2批，其中自通车伊始就开始使用的列车为L2型列车，列车编号为：05x001-05x002~05x059-05x060。而在2011年开始投入使用的列车为L4型列车，列车编号为：05x061-05x062~05x123-05x124，合共62列列车。
这两批列车由于投入营运时间不同，列车亦有区别，例如前者设单点式闪灯路线图，而后者亦更改成一条直线的路线图等，详细区别请参见列车条目。
五号线东延段，又称为五号线二期，工程则由文冲站后折返线起始，一直向东敷设，基本沿大沙地东路、黄埔东路及开发大道走廊布设线路，途径双岗、夏园等地，进入广州开发区西区，最终到达黄埔客运港。2016年11月，该段规划已通过专家评估。目前作为广州市新一轮轨道交通（2015-2025）建设规划方案的候补线路之一，已于2017年3月下旬获国家发改委批复立项。工可报告亦在2018年1月上旬获批。2018年11月19日东延段正式开工建设。
五号线东延段线路全长9.76km，共设车站6座（不含文冲），其中换乘站2座。平均站间距1.64km，最大站间距2.62km，为双沙至庙头路区间；最小站间距1.01km，为广州开发区至黄埔客运港区间。在黄埔区双岗设停车场一座，同时将对既有鱼珠车辆段进行扩容改造；扩建十三号线墩美主变电站供五号线受流。
同时亦有计划在黄埔客运港站与东莞轨道交通1号线以及城际轨道线路实现接驳，目前两市正在为该计划进行商讨，具体接驳方案未明。
根据广州地铁发布的招标公告，5号线东延段将增购14列新列车（84辆）。
