Planerna omfattar elektrifiering av Midland Main Line mellan Bedford och Sheffield.
Andra förbättringar av järnvägen har presenterats för Manchesterområdet, södra Wales och östkustens huvudlinje.
Premiärminister David Cameron kallade det "den största moderniseringen av våra järnvägar sedan den viktorianska eran".
Under ett besök i Birmingham för att tillkännage järnvägsinvesteringen, sade statsministern att det skulle leda till elektrifiering av en extra 850 miles av spår.
Han sade: "Denna investering kommer att innebära snabbare resor, fler platser, bättre tillgång till stationer, större godsförbindelser och ett verkligt järnvägsnät i världsklass."
Vice premiärminister Nick Clegg, som anslöt sig till statsministern vid besöket, sade att planerna skulle hjälpa "stänga norra södra klyftan".
Det omfattar 5,2 miljarder pund för slutförande av nuvarande system, såsom Crossrail och Thameslink och 4,2 miljarder pund för nya projekt.
Till dessa hör:
Byggnationen av järnvägsprojekten kommer inte att påbörjas förrän minst 2014, eftersom tillkännagivandet omfattar perioden 2014 till 2019.
Regeringen sade att det skulle finansieras "delvis från prishöjningar som redan tillkännagavs 2010 och även från de betydande effektivitetsbesparingar som projekt som elektrifiering kommer att ha på de långsiktiga driftskostnaderna för järnvägarna".
I januari i år fick passagerarna en genomsnittlig ökning av RPI-inflationen plus 1 % på reglerade biljettpriser, som beräknas öka med RPI plus 3 % i januari 2013 och 14.
Transportminister Justine Greening berättade BBC Radio 4's Idag programmet regeringen hade en långsiktig plan för att få järnvägsindustrin att arbeta mer effektivt och stoppa ovan-inflation prishöjningar.
"Vi måste få pengar från någonstans så, för tillfället, passagerarna betalar", sade hon.
"Vi vet alla att diesel är enormt dyrt så om vi kan flytta över till elektriska tåg, inte bara är de grönare, de är också billigare och också de är lättare också, så vad det innebär är att när de är på banan de inte skadar det så mycket, så underhållskostnader går ner också," tillägger hon.
När det gäller tillträde till järnvägsnätet sade hon senare till parlamentet att hon inledningsvis skulle ställa 20 miljoner pund till förfogande för Network Rail för att bjuda in bud på nya stationer.
Skuggtransportminister Maria Eagle sa: "Vi välkomnar denna investering, det tillkännagavs faktiskt först under den senaste labourregeringen... men detta kommer inte att hjälpa jobb och tillväxt nu, eftersom det inte kommer att finnas ett öre spenderas förrän efter 2014."
Från Richard WestcottBBC transportkorrespondent
En hel del elektriska järnvägslinjer och nya spår kan köpas för £ 9,4 miljarder men hur går pengarna sönder och vad kan det göra för skillnad? Och vem betalar för det?
Till att börja med kommer 5,2 miljarder pund att gå till antingen fortsätta eller avsluta projekt som har pågått i några år.
Men resten är nytt och det kommer att innebära snabbare restider, fler säten och granade stationer, och många regioner i England och Wales gynnas, särskilt över norra England.
Tricket kommer att vara att finansiera allt detta susiga nya kit utan att biljettpriserna går genom taket. Vi vet redan att säsongsbiljetter, tillsammans med några andra priser, kommer att stiga med inflation plus 3% i januari 2013 och januari 2014.
De kommer sedan att gå upp med inflation plus 1% under 2015. Regeringen säger att den vill stoppa ytterligare ökningar genom att spara pengar över hela branschen. Om den inte klarar det kan priserna stiga i många år för att hjälpa till att betala för alla dessa nya investeringar.
Hon vägrade att utesluta en åternationalisering av järnvägarna för att garantera bättre valuta för pengarna.
Men Labour förringade betydelsen av sina kommentarer och sade att fokus skulle ligga på lokala lösningar.
Bob Crow, transportfackets generalsekreterare RMT, sade: "Det vi behöver är investeringar i järnvägen idag inte ännu ett politiskt löfte om sylt i morgon."
Verkställande direktör för järnvägskund watchdog Passenger Focus, Anthony Smith, sade passagerare skulle välkomna "skala och ambition" av investeringen.
Men han tillade: " Värde för pengar är fortfarande en angelägenhet. Passagerarna kommer att vilja se regeringen undvika prishöjningar över inflationen. Dessa investeringar måste genomföras på ett kostnadseffektivt sätt."
Kampanjen för bättre transport chef Stephen Joseph sade att investeringen var goda nyheter, men de två åren av prishöjningar skulle innebära att många passagerare inte hade råd med sina fördelar.
"I en tid då det offentliga stödet till järnvägarna minskar och effektivitetsbesparingarna inom industrin redan minskar kostnaderna, finns det helt enkelt inget behov av att få passagerarna att betala över oddsen", sade han.
Network Rail finansieras med ett årlig statligt bidrag på 3,5 miljarder pund och intäkter från avgifter för spårtillträde - antingen tågpriser eller betalningar av inkomststöd från regeringen. Den lånar också pengar som staten garanterar.
Regeringen har presenterat ett investeringspaket på 9,4 miljarder pund i järnvägarna i England och Wales, inklusive 4,2 miljarder pund i nya system.