Les rails furent utilisés dès le XVI^e s. pour le roulage des wagonnets de mines, poussés par des hommes ou tirés par des chevaux. La première locomotive à vapeur, très rudimentaire, a été expérimentée en Angleterre en 1804 et le premier chemin de fer public accessible aux voyageurs a été ouvert en 1825, toujours en Angleterre entre Stockton et Darlington ; les trains de voyageurs y étaient remorqués par des chevaux, ceux de charbon par des locomotives à vapeur. La plupart des lignes de chemin de fer construites au cours du premier tiers du XIX^e s. l'ont été pour relier une mine ou une carrière à un port fluvial ou maritime, sur des distances relativement courtes. La notion de réseau apparaît en Belgique avec l'ouverture en 1835 de la ligne de Bruxelles à Malines, ville qui deviendra en huit ans le centre d'une étoile ferroviaire de 560 km. La traction électrique est utilisée pour la première fois aux États-Unis, en 1895, puis en Suisse, en 1899. En France, elle a fait son apparition en 1900 sur les lignes Paris-Quai d'Orsay à Paris-Austerlitz et Paris-Invalides à Versailles.

La voie ferrée.

Les rails ont un double rôle : assurer le guidage des véhicules et en supporter la charge. La voie moderne est donc constituée par deux rails parallèles en acier fixés sur des traverses en bois dur ou en béton, qui en maintiennent l'écartement et transmettent les efforts. L'ensemble repose sur le ballast. La fin du XX^e s. voit le développement des trains à grande vitesse (Shinkansen au Japon, TGV en France, ICE en Allemagne).

Lorsque le terrain est accidenté, la construction d'une ligne de chemin de fer implique la réalisation de nombreux ouvrages d'art, ponts et tunnels, notamment. Les premiers ponts et viaducs étaient en maçonnerie, puis, avec les progrès de la sidérurgie, ont été construits de grands ponts métalliques tels que le viaduc de Garabit (1884).

Véhicules ferroviaires.

Les véhicules ferroviaires comprennent les engins moteurs et le matériel remorqué. Les premiers assurent la traction des trains : locomotives et automotrices (qui transportent aussi des voyageurs). Le second englobe les voitures pour les voyageurs et les wagons pour le fret. Ces derniers sont spécialisés selon la marchandise et son mode de chargement.

Tout véhicule ferroviaire est constitué par un châssis qui supporte la caisse (wagon) ou par une caisse-poutre rigide (voiture). À chaque extrémité, tampons et attelages servent à l'assemblage des trains. Si les véhicules reposent sur deux essieux fixes, ils sont dits à essieux, par opposition aux véhicules à bogies. Ces derniers sont une sorte de chariot (deux essieux, quatre roues) pivotant sous la caisse pour faciliter l'inscription en courbe et améliorer la suspension.

Chemins de fer spéciaux.

Il existe des chemins de fer spéciaux : les chemins de fer urbains (métro, tramway), les chemins de fer à crémaillère, les chemins de fer funiculaires, les chemins de fer à voie étroite (qui permettent l'installation économique de lignes à caractère régional) et les chemins de fer portatifs, utilisés notamment dans l'industrie pour des transports à petite distance. Dans les espaces restreints, surtout urbains, plusieurs monorails (sur un rail unique, une poutre rigide ou suspendus) ont vu le jour mais de façon limitée. Les trains à sustentations magnétiques, sans contact avec les rails, sont en cours de développement.