Systemet skulle koppla samman Perus Stillahavskust med Brasiliens Atlantkuster.
Beslutet kom efter samtal mellan Kinas premiärminister Li Keqiang och Perus president Ollanta Humala.
Om järnvägen fullbordades skulle den sträcka sig 5 300 km, men förkämparna var rädda för att den skulle påverka ursprungsbefolkningen.
Brasilien, Kina och Peru kommer nu att påbörja genomförbarhetsstudier om järnvägen.
Li säkrade Brasiliens samtycke tidigare i veckan, som en del av sin turné i Latinamerika.
Järnvägen skulle "konsolidera Perus geopolitiska position som en naturlig port till Sydamerika", sade president Humala.
För Kina skulle det minska kostnaderna för frakt av råvaror och jordbruksprodukter.
Men förkämpar är oroliga att det kan förstöra orörda delar av Amazonas regnskog, som påverkar hundratals ursprungsbefolkningar.
Li försökte lindra farhågorna genom att säga att "för att skapa infrastrukturen är det nödvändigt att skydda miljön" i ett uttalande med Humala, som AFP rapporterade.
Det kommer sannolikt att kosta mer än 10 miljarder kronor (6,5 miljarder pund). Rutten undersöks fortfarande, men skulle börja i den gigantiska brasilianska hamnen i Acu och slutar i en peruansk hamn.
Kinas president Xi Jinping lovade tidigare i år att investera 250 miljarder dollar (161 miljarder pund) i Latinamerika under nästa årtionde.
Ett kinesiskt system för att bygga en öst-västlig järnväg över Sydamerika, skär över delar av Amazonas regnskog, har flyttat ett steg närmare efter Peru gick med på att studera förslaget.