Reform Skottland sade att dess forskning föreslog mer än hälften av förseningar till tåg i Skottland beror på Network Rail fel snarare än ScotRail.
Det sades att delegering av organisationen skulle tillåta en "klar ansvarslinje" när saker går fel.
Network Rail finansieras av Transport Scotland men är ytterst ansvarig inför Westminster, inte Holyrood.
En talesman för Network Rail sade: " Vi har ett nära samarbete med de skotska och brittiska regeringarna för att ständigt förbättra och förbättra våra järnvägar. Alla diskussioner om ytterligare decentralisering av järnvägsnätet i Skottland skulle vara en fråga för dessa regeringar."
Den fullständiga delegeringen av Network Rail - som ansvarar för underhållet av järnvägsinfrastrukturen - har länge varit en ambition för den skotska regeringen.
Transportminister Humza Yousaf sade förra månaden att flytten skulle bidra till att vända "den nuvarande oacceptabla industrins resultat" i Skottland.
Det finns en ständig oro över förseningar och inställda tåg till ScotRail-tågen sedan det nederländska företaget Abellio tog över kontraktet förra året, vilket har lett till att Yousaf föreslog att järnvägsserien skulle kunna övertas av den offentliga sektorn i framtiden.
Yousaf kommer att delta i en konferens på tisdag tillsammans med tjänstemän från Abellio och Network Rail som syftar till att utforska framtiden för Skottlands järnvägar.
I rapporten Track to the Future sade Reform Scotland att 54 procent av tågen som försenades med mer än tre minuter hade tillskrivits fel på järnvägsnätet.
Rapporten skrevs av Reform Scotland's forskningsdirektör Alison Payne och Tom Harris, före detta Labour MP och brittiska transportminister.
Harris sade: "Den aktuella debatten om huruvida man skall nationalisera ScotRail eller inte missar poängen. 54 % av förseningarna är nätverksjärnvägens fel. Nationalisering ScotRail kommer inte att få tågen att gå i tid och det är självförsvar för någon politiker att antyda något annat.
"I stället behöver vi en grundläggande förändring av styrningen av Network Rail. Den skotska regeringen ansvarar för den strategiska ledningen och finansieringen av det skotska järnvägsnätet, men detta ansvar kan inte utövas på rätt sätt medan Network Rail förblir ansvarigt inför den brittiska regeringen.
"Reform Skottland anser att Network Rail i Skottland bör vara fullt ansvarig inför den skotska regeringen, och det innebär att den måste decentraliseras."
I rapporten, där man undersöker moderniseringen av de skotska järnvägarna, konstaterades det också att restiderna i Skottland var ogynnsamma jämfört med restiderna på liknande avstånd i England.
Edinburgh till Aberdeen och London till Birmingham är till exempel ungefär lika långt, men det förra tar långt över två timmar och det senare mindre än 90 minuter.
Birmingham och Manchester ligger 25 % längre ifrån varandra än Glasgow och Dundee, men tåget tar 15 minuter mindre att anlända.
Samtidigt som man välkomnade den senaste tidens investeringar i järnvägarna, sades det i betänkandet att uppgradering av linjer samtidigt som man försöker använda dem skulle kunna orsaka ytterligare problem och tillade att investeringar som Gränsjärnvägen hade varit "kortsynta".
Den nya linjen från Edinburgh till Tweedbank är inte elektrifierad och är enkelspårig.
I betänkandet sades att den skotska regeringen bör framtidssäkra alla nya järnvägsinvesteringar genom att se till att det blir dubbelspårigt och elektrifierat där det är möjligt.
Parlamentet kräver också att man inrättar en "vild och ambitiös" kommission för den skotska järnvägsinfrastrukturen för att undersöka snabbare järnvägsförbindelser för framtiden, bland annat från det centrala bältet till både norr och söder, och att man undersöker strategiska järnvägsförbindelser mellan och inom städer i Skottland.
I rapporten konstaterades att under de kommande 30 åren kommer människor att kunna resa med tåg från det centrala bältet till London snabbare än från det centrala bältet till Inverness, trots att det förra är omkring 400 mil medan det senare bara är 160 mil.
Harris tillade: "Pågående förbättringar är avgörande och den skotska regeringen bör gratuleras för att ha investerat på detta område, men vi måste tänka på den större bilden och skapa en djärv strategi för framtiden.
"Vår järnvägsinfrastruktur är bristfällig. Vi bör inte tolerera en situation där en invånare i Glasgow kan ta sig till London snabbare än hon kan komma till Inverness, eftersom Skottlands städer är för dåligt sammankopplade.
Kraven på att det skotska parlamentet ska få fullt ansvar för Network Rail har backats upp av en tankesmedja.