Hệ thống điện khí hóa đường sắt
Điện một chiều > Ray thứ ba

Đa phần các hệ thống điện khí hóa sử dụng đường dây trên cao, nhưng hệ thống Ray thứ ba là một lựa chọn khác nếu chỉ sử dụng nguồn điện không quá 1.500 V, như trường hợp của tuyến Shenzhen Metro Line 3. Hệ thống này cũng chỉ áp dụng được với điện một chiều. Việc sử dụng điện xoay chiều là không khả thi bởi vì tiết diện của ray thứ ba lớn hơn rất nhiều so với hiệu ứng bề mặt mà dòng xoay chiều truyền qua ray thép thường chỉ dày khoảng 0,3 milimét hay 0,012 inch. Hiệu ứng này làm cho điện trở trên mỗi đơn vị chiều dài rất lớn và hiệu quả truyền điện thấp được so với việc sử dụng điện một chiều. Đường ray thứ ba nhỏ gọn hơn đường dây trên cao và có thể được sử dụng trong các đường hầm có đường kính nhỏ hơn, một yếu tố quan trọng đối với hệ thống tàu điện ngầm.
Hệ thống ray thứ ba có thể thiết kế cho phép tiếp xúc trên, tiếp xúc bên, hay tiếp xúc dưới. Tiếp xúc trên ít an toàn nhất, vì đường ray trực tiếp tiếp xúc với người đi trên đường ray trừ khi nó được phủ bởi một tấm chắn. Tiếp xúc bên và tiếp xúc dưới an toàn hơn vì bản thân đường ray đã che chắn cho chính nó, khó gây tai nạn giật điện hơn. Đường ray thứ ba dạng tiếp xúc trên mà không có tấm chắn cũng có thể không sử dụng được nếu xảy ra băng, tuyết hay lá rơi.
Các hệ thống điện một chiều (đặc biệt là hệ thống ray thứ ba) thường bị giới hạn hiệu điện thế tương đối thấp. Điều này cũng giới hạn kích cỡ và vận tốc của tàu điện, và thậm chí giới hạn cả các tiện ích khác trên tàu, chẳng hạn như điều hòa nhiệt độ. Hiệu điện thế thấp cũng có nghĩa việc truyền tải điện năng đi xa sẽ không hiệu quả và do đó sẽ cần bố trí các máy biến áp dọc theo chiều dài của tuyến đường sắt. Đây là một nhược điểm so với đường dây trên cao và điện xoay chiều cap áp, ngay cả đối với việc sử dụng nội đô. Trên thực tế, vận tốc tối đa của các tàu sử dụng hệ thống ray thứ ba là 100 mph (160 km/h) bởi nếu nhanh hơn vận tốc này việc tiếp xúc giữa chân tiếp xúc và ray cấp điện sẽ không còn được đảm bảo ổn định.
Một vài các xe điện (tram - streetcar) sử dụng hệ thống ống dẫn ray thứ ba. Ray thứ ba cấp điện sẽ nằm dưới mặt đất. Xe điện sẽ lấy điện thông qua một cái "cày" xuống đường điện ở dưới qua một khe hẹp dọc trên đường. Ở Mỹ, đa phần (không phải tất cả) các hệ thống xe điện đường phố trước đây ở Washington, D.C. (đã chấm dứt từ năm 1962) được vận hành theo cách này để tránh việc phải xây dựng hệ thống đường dây trên cao, que lấy điện gây mất thẩm mỹ thành phố. Ở Manhattan cũng được thiết kế tương tự như vậy. Các vết tích còn lại của hệ thống này vẫn còn có thể tìm thấy ở tuyến đường xuống dốc trên lối vào phía Bắc tới nhà ga bị bỏ hoang Kingsway Tramway Subway ở trung tâm London, Anh, nơi có thể nhìn thấy rõ khe giữa các đường ray đang chạy, và ở phố P và Q về phía Tây của Wisconsin Avenue trong khu phố Georgetown ở Washington DC, nơi đường ray bị bỏ hoang vẫn chưa được được lát lại. Những nhược điểm của hệ thống này là có chi phí xây dựng ban đầu lớn, chi phí bảo trì cao, và các vấn đề sẽ xảy ra nếu có lá rụng hay tuyết rơi vào các khe này. Bởi vì lí do này, ở Washington, các xe điện ở một vài tuyến đã được chuyển sang đường dây trên cao khi rời trung tâm thành phố, một người trong đội kỹ thuật ("plough pit") sẽ ngắt "cày" điện ra khỏi tàu trong khi một người khác sẽ nâng que lấy điện (nối giữa nóc tàu) vào hệ thống dây trên cao. Ở New York, cũng vì những lí do tương tự liên quan đến chi phí và hiệu năng vận hành nên đường dây trên cao cũng được sự dụng. Một hệ thống cũng có chuyển giao tương tự từ rãnh dẫn sang dây trên cao cũng được sử dụng cho hệ thống xe điện ở London, đáng chú ý là ở miền nam; điển hình ở Norwood, nơi mà rãnh dẫn điện lách sang một bên từ giữa 2 đường ray chính, nhằm tạo ra chỗ để tách đế lấy điện hoặc "cày" điện tách ra.
Một hướng tiếp cận khác mà không sử dụng đường dây trên cao đó là hệ thống xe điện "thế hệ thứ hai" ở Bordeaux, Pháp (tham gia vào đội tàu và chạy chuyến đầu tiên vào tháng 12 năm 2003; hệ thống ban đầu đã chấm dứt từ năm 1958). Hệ thống này có một ray thứ ba chia ra thành các đoạn, mỗi đoạn có các cảm biến và chỉ cung cấp điện khi có tàu chạy qua, do đó rất an toàn với các phương tiện hay người đi bộ cắt qua đường ray. Hệ thống này cũng đã được áp dụng trong một số phần của hệ thống xe điện mới ở Reims, Pháp (ra mắt năm 2011) và Angers, Pháp (cũng ra mắt năm 2011). Phương án này cũng được xem xét áp dụng tại Dubai, UAE; Barcelona, Tây Ban Nha; Florence, Ý; Marseille, Pháp; Gold Coast, Úc; Washington, D.C., Mỹ; Brasília, Brazil và Tours, Pháp.