Vận tải đường sắt là nơi một đoàn tàu chạy dọc theo một bộ hai đường ray thép song song. Các đường ray được neo vuông góc với các tà vẹt bằng gỗ, bê tông hoặc thép, để duy trì một khoảng cách nhất quán. Các đường ray và dầm vuông góc được đặt trên một nền tảng làm bằng bê tông hoặc đất nén và sỏi trên một lớp đá dăm. Phương pháp thay thế bao gồm monorail và tàu đệm từ.

Một đoàn tàu bao gồm một hoặc nhiều phương tiện được kết nối hoạt động trên đường ray. Lực đẩy thường được cung cấp bởi một đầu máy, chuyên chở một loạt những chiếc xe không có sức mạnh, có thể chở hành khách hoặc vận chuyển hàng hóa. Đầu máy có thể được cung cấp năng lượng bằng hơi nước, dầu diesel hoặc bằng điện được cung cấp bởi các hệ thống theo dõi. Ngoài ra, một số hoặc tất cả các toa xe có thể được cung cấp năng lượng. Ngoài ra, một đoàn tàu có thể được cung cấp năng lượng bởi ngựa, dây cáp, trọng lực, khí nén và tua-bin khí. Các phương tiện đường ray di chuyển với ma sát ít hơn nhiều so với lốp cao su trên đường trải nhựa, làm cho tàu hỏa tiết kiệm năng lượng hơn, mặc dù không hiệu quả như tàu thủy.

Các chuyến tàu liên tỉnh là các dịch vụ đường dài kết nối các thành phố;^[7] Đường sắt tốc độ cao hiện đại có khả năng tăng tốc lên tới 350 km/h (220 mph), nhưng điều này đòi hỏi phải có đường ray đặc biệt. Các chuyến tàu trong tỉnh và phục vụ đi lại của người dân cung cấp thức ăn cho các thành phố từ vùng ngoại ô và các khu vực lân cận, trong khi giao thông nội đô được thực hiện bằng xe điện công suất cao và tàu điện ngầm, và chúng thường tạo thành xương sống của giao thông công cộng của thành phố. Các đoàn tàu chở hàng thường được sử dụng toa chở hàng, yêu cầu bốc dỡ hàng hóa bằng tay. Kể từ những năm 1960, tàu hỏa container đã trở thành giải pháp chủ đạo cho vận tải hàng hóa nói chung, trong khi số lượng lớn hàng đóng gói được vận chuyển bằng tàu chuyên dụng.