TGV
営業運転開始まで
TGVが最初に考案されたのは1960年代で、日本が1959年に東海道新幹線の工事を始めた直後である。
当時はフランス国内でも、他の国々と同様に、アエロトランのような空気浮上式鉄道（ホバークラフトに類似）や磁気浮上式鉄道について研究が行われていた。しかし、実用性や費用の点で数多くの問題があったため、浮上式鉄道による高速化を断念し、鉄道の高速化は鉄軌道と鉄車輪方式により実施することになった。フランス政府はすぐさま計画を支持し、SNCFは鉄軌道・鉄車輪方式の高速鉄道車両について、1967年より本格的に研究を開始した。
最初の計画では、ガスタービンエンジンの出力回転軸を発電機に接続し電力に変換して車軸に接続したモーターを駆動する電気式ガスタービン動力車が考案された。ガスタービンは小型であり、長時間にわたって高いパフォーマンスを発揮するためである。このガスタービン電気式動力車は1967年に試作され、量産化もされてイランやエジプトにも輸出された。そしてこの技術をそのまま生かし、1972年に最初のTGV車両であるTGV001が試作された。これは編成出力4,400kWの動力集中、連接方式であった。TGV001の外装・内装はイギリス生まれのデザイナーであるジャック・クーパーによって設計された。これは以後のTGV車両のデザインの原型であり、車体前面の「鼻」が特徴的である。
TGV001は空気力学的な流動実験によって車体が設計され、また高速域からの列車を停止させるためのブレーキ等の新技術を採用しており、1972年12月8日に非電化車両として最速の318km/hを記録した。これは当時最速の列車であった日本の新幹線の最高営業速度（当時210km/h）を上回った。
しかし、1973年には石油ショックの影響を受けて燃料の価格が急激に上昇したため、ガスタービンによる駆動方式は実用性を失った。計画は動力車内のガスタービンで発電する方式から架線から電力を得る架空電車線方式に変更され、その電力はフランス国内に新設された原子力発電所から供給された。
電気牽引方式を取り入れたTGVは1974年に完成した。モーターや、サスペンション、動作制御装置などの試験を繰り返した結果、TGV001と比較して動力車の重量を2.95トン削減することができた。この試作車は試験中に約1,000,000 km走行した。
1976年にはフランス政府のTGVプロジェクトによって最初のTGV路線であるパリ - リヨン間（LGV南東線（LGV Sud-Est,ligne nouvelle 1,LN1））の建設が始まった。
のちに2度の試作車両製作と耐久試験の結果、1980年4月25日に最初の量産型営業車両が完成した。なお、実車はLGV南東線の開業前に在来線のパリ - リヨン間で営業運転に使用されている。
1981年9月27日、初のTGV営業路線としてパリ - リヨン間のLGV南東線が開業、最高速度260km/h（のちに270km/h）での営業運転が開始された。この2都市の都心間を航空機よりも短時間で結ぶ最速の交通手段となった。なお、日本の新幹線の開業（1964年）に遅れること17年であったが、新幹線の営業最高速度を初めて上回ったことで世界の注目を集めた。
軌道
TGVがその性能を発揮し高速走行が可能な専用軌道は LGV（フランス語: Ligne à Grande Vitesse、高速線の意味）と呼ばれるが、軌間は1,435mm（標準軌）でSNCFの在来線と同一である。車両限界なども在来線とほぼ共通の設計になっているため、都市部では既存の線路を走行し、市街地を出ると線形の良いLGVに入って高速走行するという運営方法が可能で、ターミナル駅は在来線と共用していることも多い。またフランスを含むヨーロッパの多くの国でも標準軌が採用されているため、電気方式、保安装置、車両限界などをクリアすれば、他国に直通運転することが可能である。
軌道の規格
2007年に開業したLGV東ヨーロッパ線などは通常の営業運転において320km/hの最高運転速度が許容されている。元々のLGVは200km/hの速度が許容された高速線として定義されていたが、その後基準が改正され最高速度250km/hの高速線とされるようになった。従来からのSNCF在来線上での最高運転速度は、在来線列車が160km/hから200km/hとなっている路線で概ね220km/hとなっている。
LGVの建設方法は従来の鉄道の建設方法と類似しているが、いくつか核となる面が異なる。高速で列車が曲線を通過するとき旅客が感じる遠心力を減らすため、曲率半径が大きく取られている。LGVの曲率半径は原則として4,000m以上とされていたが、新路線では将来のさらなる高速化も目指すため7,000m以上とされている箇所もある。
LGVの軌道は在来路線に比べ精密に保線が行われ、バラスト（砕石）なども高速で走行するTGVの軸重に耐えられるよう厚く盛られ安定性が保たれている。1km当たりに敷設されている枕木の本数も在来線よりも多く、そのすべてが鋼鉄の締結装置で固定されたPC枕木で構成されている。軌条はUIC60kg/mの重軌条が使われ、傾斜角は通常の20分の1に比して40分の1とより真っ直ぐに作られている。継ぎ目を少なくするためにロングレールが使用され、快適な走行を実現している。トンネルの直径は、通常の列車が必要としている直径よりも大きく確保されている。これは気圧変化の影響を少なくすることを目的としているが、TGVの最高速度に影響を与えることもある。
いずれの路線も複線で、左側通行である。ただし、ヨーロッパで一般的な単線並列方式を採用しており、数十キロメートル毎に渡り線が設置されている。場所によっては、分岐側制限速度240km/h・直線側制限速度なしの65番高速分岐器（ノーズ可動式）が採用されている。
在来列車との共用
原則としてTGV車両による旅客列車専用であり、客車列車や貨物列車の運行は考慮されていない。このため最急勾配35‰（パーミル）（1000分の35）が許容されており、丘陵地帯をトンネルなしで建設することが可能となり、建設費の圧縮を図っている。
LGVで貨物列車の運行を制限している背景には、速度の遅い貨物列車が混在することで本来TGVが持っている高速性能を著しく制約してしまう点がある。また、TGVの高速走行に起因する乱気流によりすれ違う低速の貨物列車の走行が不安定になり、これは貨物列車・旅客列車双方にとってリスクをもたらすことになり、結果としてコスト高に繋がってしまう。ただし路線延長されたLGV大西洋線のトゥールへの分岐線や、LGV地中海線で計画中のニーム・モンペリエへの分岐線などでは貨物列車との混合走行が考慮されている。
英仏海峡トンネル - ロンドン間のCTRLでは貨物列車の輸送を補助するためにループ線施設が建設されたが、開業後も未だに利用されていない。
ベルギーのHSL 2（Hogesnelheidslijn 2）ではブリュッセルからリエージュへ最高速度200km/hの電気機関車牽引の列車が、建設中のオランダのHSL Zuid やイギリスのCTRLでは最高速度200km/h以上で運行される国内のインターシティサービスなど、各国で高速新線を活用した国内輸送の改善が計画されている。
英仏海峡トンネルはLGVではないが、100km/hから160km/hまでの範囲で、混在した貨物輸送、シャトル列車、およびユーロスターの運行を管理するため、保安装置はLGVと同一のTVM（後述）を利用している。160km/hで走るユーロスターと140km/hのシャトル列車（カートレイン）、120km/hの貨物列車が混在するため、異なる速度で走る列車同士の運転間隔は広く取らなければならず、速いユーロスターは先行列車に追いつき、線路容量を低下させてしまう。そのため、ユーロスター同士を3分間隔で続行運転させることで線路容量を確保するなどの工夫がなされている。
電力供給
LGVの電化方式は交流25,000V 50Hzとなっている。高速で走行する時、パンタグラフが架線に振動を引き起こし破断させる要因となるので、架線のワイヤーは通常の路線より強化され張りが強く保たれている。1990年の最高速度の記録更新試験の際には、架線の破断対策が大きな課題であった。そのため、500km/hの走行試験の対応に備え架線の張りはさらに強化する必要があった。LGV区間上では編成後部のパンタグラフのみを使用し、前部のパンタグラフで引き起こされる振動を避けている。両端動力車との間には中間車の屋根上にケーブル（特高圧引通し線）が敷かれ電力が供給されている。ユーロスター用のTMST編成では、通常のTGV編成の2倍近くの400m弱の編成長があり振動が減衰する。間隔が十分なため前後の動力車に搭載されているパンタグラフを使用することが可能であることから、高圧ケーブルの引き通しはされていない。LGV以外の通常の振動問題のない在来線や直流区間で走行する際は両方のパンタグラフを使用している。
保安装置
LGV区間では従来の線路脇に建植された色灯式信号機では運転士にとってその現示を確認するには速度が高過ぎるため認識が難しい。よって信号システムは自動化されたTVM（Transmission Voie-Machine, またはtrack-to-train transmission）と呼ばれる車内信号方式が採用されている。速度情報等は軌道からパルス信号を通して列車に送られ、運転士は運転台の表示装置で速度、停止・発車の指示、目標速度などを直接確認することが可能である。運転士が間違っている場合には安全に列車を停止させることができる高度に自動化された装置だが、運転士の裁量は完全には取り除かれていない。LGV路線では信号閉塞区間は1,500mごとに区切られ、境界は青地の黄色の三角形の標識で示されている。運転台の表示装置には、先に路線の分析に基づいて、列車の現在走行している区間での最大許容速度と目標速度が示される。最大許容速度は先行列車に近付くと減速し、また分岐器の配置、速度規制、列車の最高速度とLGVの終端までの距離などの条件に基づいて決定される。通常、列車は一つの閉塞区間で停車することが不可能な際は（数百mから数kmの範囲）、停止する前に徐々に速度を落とす目的で運転士に警報が出される。LGVではTVM-430とTVM-300の2種類の信号システムが使われている。最新のシステムであるTVM-430はTVM-300より多くの情報を提供している。LGV北線から導入され、以後英仏海峡トンネル、ベルギーなどの高速新線でも採用されている。
保安システムは通常、運転士の裁量に任されている部分が新幹線のATCよりも多くある。最高速度は30km/hに制限されるが運転士は最初の指示がなくても別の閉塞区間に進入することが可能である。この場合、35km/hを超過すると非常ブレーキが動作する。もし、閉塞区間にNf（仏: non-franchissable）「通過可能ではない」を伴う標識があったならば、運転士は閉塞区間へ進入する前に指令所（仏: Poste d'Aiguillage et de Régulation）からの指示を受けなければならない。指令所が許可を出すと運転台上の白色灯点灯により運転士に告知される。運転士は操作盤のボタンを操作することで、非常ブレーキは無効にすることが可能となる。もし、これらのステップを省略した場合は標識に隣接した軌道回路で非常ブレーキが動作する。
列車が、在来線からLGV区間に進入・進出する際に軌道回路を通過すると自動的に適切な保安システムに切り替わる。例えば、列車がLGV線から在来線へ進入する際、TVMは作動せず従来のKVB（Contrôle Vitesse par Baliseまたはbeacon speed control: 地上信号方式）が有効になる。
駅
TGVはパリなどの列車の起点、終点となる都市部では在来線に乗り入れるため、既存の在来線の駅がそのままTGVの発着駅として用いられる。ただし多くの駅ではTGV乗り入れ時に駅の改良工事を行なっている。
TGV専用のLGVは市街地を避けて建設されているが、LGV上にもいくつかの駅が存在する。これらの駅は一般に周辺の都市からはやや離れている。また一部の駅は在来線の線路のすぐ近くにあるが、鉄道在来線との接続が考慮されている例は少なく、自動車でアクセスすることが想定されている。たとえば南東線のル・クルーゾTGV駅の近くをディジョンからル・クルーゾへの在来線が通っているが、在来線側には駅はない。アヴィニョンTGV駅も同様である。この背景には、フランス国鉄がTGV専用駅を従来の駅よりも空港に近いものと考えていたことがある。また駅を誘致した地方自治体は、新駅が新たなビジネスの拠点となることを期待していたが、その目論見はほとんどの場合外れている。ただし近年ではLGV上の駅も在来線など他の公共交通機関との接続が考慮される傾向にある。
LGV上の駅のうち、東連絡線のシャルル・ド・ゴール空港第2TGV駅とローヌ・アルプ線のリヨン・サン＝テグジュペリTGV駅は、それぞれパリ＝シャルル・ド・ゴール空港およびリヨン・サン＝テグジュペリ国際空港のターミナルビルに接続しており、TGVと航空機を乗り継ぐことができる。ただしシャルル・ド・ゴール空港駅が多くの地方都市やブリュッセルなどフランス国外から空港へのアクセスに活用されているのに対し、サン＝テグジュペリ空港駅では遠距離からTGVで空港に向かう旅客はわずかであり、多くは地元の地方空港を利用するほうを選んでいる。
2001年に開業したアヴィニョンTGV駅は大聖堂のような屋根が特徴である。
路線網
フランス国内には、約1,800kmのLGV網（高速新線網）が存在する。パリを中心に放射状に核となる4本の路線とその他の路線で構成されている。
高速運転の可能なLGVは以下の通り。なお以下の表の地名は路線の起終点近くの主要都市を示し、必ずしもそのコミューンに乗り入れているとは限らない。
フランス国外への進出
隣接国への直通列車であるユーロスターやタリスのみならず、TGVをベースとした車両はスペイン・RenfeのAVE、韓国・KTX、アメリカ・AMTRAKのアセラ・エクスプレスなど、諸外国へも輸出している。ドイツとの連合で臨んだ中華民国（台湾）の台湾高速鉄道では日本の新幹線が採用されたほか、中華人民共和国でも新幹線方式が採用されたこともあるものの、官民一体となった売り込みの結果、京滬高速鉄道で車両の購入が行われた。
台湾高速鉄道への売込みに際しては、ドイツ鉄道（DB）のICE 1の動力車とTGV Duplex編成のダブルデッカー客車を組み合わせたデモンストレーション編成「ユーロトレイン（Eurotrain）」を走行させた。これは、当初フランスが提案を検討していたDuplex10両編成やドイツ案のICE 1 14両編成をそのまま導入した場合、いずれも台湾に要求されていた一編成あたりの定員を確保できなかったためである。客車1両あたりの定員が最も多いのはTGV Duplex編成のダブルデッカー客車だが、これを単純に増結すると当時のTGV用動力車では出力不足となり対応できなかったため、より出力の大きいICE 1用動力車とTGV用客車を組み合わせるという苦肉の策が採用された。
高速鉄道のみならず、鉄道全般に関して長年のライバルであるフランスとドイツが「ヨーロッパ連合」として手を組み、新幹線を売り込もうとする日本連合に対抗したことでも話題となったが、結果的には新幹線が採用された。新幹線が採用された経緯は多種の要因があるが、TGVに比較すると新幹線は高頻度での大量輸送を実現していること、台湾でも懸念される地震対策の日本国内での実績に加え、1998年6月3日にハンブルク近郊のエシェデ（Eschede）駅付近で発生したICE 1の事故が決定打となったと言われている（詳しくは「エシェデ鉄道事故」を参照）が、実際は1999年9月21日に発生した台湾大地震の発生が最大の要因である。
2007年10月22日にモロッコ・フランス両政府がTGV（アラビア語表記は تي جي في）の技術を用いたアフリカ諸国では初の高速鉄道の導入を発表した。モロッコ国民の鉄道事情への不満に応えたものであるとされている。アルストム社から12本のTGV Euro Duplex編成が導入された。将来的には、マラケシュへの延伸を含め増大する旅客輸送量に対処するため総延長1,500kmの路線網を2030年頃までに整備する構想もされている。まず2013年までに、タンジェ - ケニトラ間の200kmが整備され、最高速度320km/hの運転が計画されている。合わせて、新しい機関車の導入やスピードアップなどモロッコの鉄道近代化も実施される。　2018年11月、アフリカ初の高速鉄道としてタンジェ - カサブランカ間が開業。同月15日にタンジェ駅で開業式典が開催され、ムハンマド6世モロッコ国王臨席の下、フランスのマクロン大統領も出席した。一般営業運転は11月26日からで、初日を含め3日間は無料扱いとなり、3万人余りが乗車したという。所要時間は従来の4時間45分から半分以下の2時間10分と大幅に短縮された。車内放送やモニターの案内はアラビア語とフランス語のみ。カフェカーは2階部分にあり、イスラム国家のためアルコール類の販売は行っていない。
アルゼンチンで計画されているブエノスアイレス - ロサリオ間の高速鉄道整備計画でもTGVをベースとした高速鉄道を導入する構想がある。
開発中の車両
アルストムはTGVに代わる高速列車としてAGV（Automotrice à Grande Vitesse）を開発した。日本の新幹線やDBのICE 3（シーメンスの製品名ではヴェラロ（Velaro））のような動力分散方式を採用し、主電動機は各車両に装備されている。また、編成の製造コストと安全基準は現行のTGVと同程度とすることとしている。AGVは200mの従来のTGVと同じ編成長で旅客定員を450名に増やすことに成功し、目標となる最高速度は350km/hとなっている。
短期的な計画では、現行ダイヤで併結運転を行っているDuplex編成の中間部に組成される動力車2両を台車部に主電動機を装備したダブルデッカー電動客車に代えて輸送力を10%向上させることが考えられている。
事故
TGVの運行歴史の中では死亡事故を含む重大事故が多数発生している。在来線区間では踏切などの平面交差も存在するため、TGVも通常の列車と同等の危険度で事故が発生する。
TGVに対する抗議運動
TGVに対する環境問題での最初の反対運動は1990年5月にLGV地中海線の計画段階で起きた。抗議団体は鉄道の高架橋を封鎖し、計画中の路線に対して抗議した。抗議団体は「リヨンからマルセイユまでは在来線の列車で行けるので新たな路線は必要ない」と主張した。
Lyon Turin Ferroviaire（LTF）（リヨン - シャンベリ - トリノ）はLGVとイタリアのTreno Alta Velocità SpA（TAV）が建設する高速新線網に接続させる計画で、イタリアでは論議の対象であった。大部分のイタリアの政党はこの路線の建設に関して賛成しているが、建設が行われる沿線の住民は強く反対している。この路線では長大トンネルが建設されるが、反対者の意見では、トンネル掘削にともなって地中のアスベスト鉱石やウラン鉱石等の危険物質が空気中に飛散することを懸念した。このためトンネルからの排気から有害物質を除去する装置が設置されたが建設開始が6ヶ月遅れた。
沿線住民の懸念の他に、TAV網の整備に反対する国民的な反対運動も10年間継続している。フランスは日本などに比較すると人口密度が低いことからTGVの騒音問題はあまり深刻な問題ではないと一部で見られがちだが、SNCFはLGVが通過する町村における騒音問題を緩和する目的で沿線に防音壁などを設置している。また、LGV大西洋線のパリ郊外区間では騒音問題を回避するために、トンネル区間を設け最高速度も200km/hに落として運行している。しかし、対策が施されていない箇所では抗議運動が続いている。