鉄道輸送
三相交流モーターは定速で回生制動を行うことができ、急勾配の連続する路線に適していた。そして1899年に最初の幹線用三相交流電気機関車がブラウンとウォルター・ボベリによって製作され、スイスにある全長40キロメートルのブルクドルフ-トゥーン鉄道で運行を開始した。
イタリアの鉄道は、世界で初めて短い区間ではなく幹線の全体に渡って電化を行った。カールマーンとガンツの協力で建設された全長106キロメートルのヴァルテッリーナ線は1902年9月4日に開業した。電気系統は三相交流の3キロボルト15ヘルツであった。1918年、カールマーンは回転位相変換器を発明、開発した。この発明により、高電圧全国ネットワークの簡単な産業用周波数(50ヘルツ)の単相交流を電気機関車に供給し三相交流モーターを駆動させることができるようになり、また今まで三相交流電化区間では架線が2本必要であったところを1本で済むようにできるようになった。
交流電化のより広い採用への重要な貢献は第二次世界大戦後のフランス国鉄 (SNCF) によって行われた。同社は交流50ヘルツで試験を実施し、それを標準として確立した。この成功した試験に基づいて、現在は産業用周波数とも呼ばれる50ヘルツが世界中の幹線で標準として採用された。なお、日本では商用電源周波数が富士川を境に東側が50ヘルツ、西側が60ヘルツに分かれており、鉄道の交流電化路線も東西で50ヘルツの路線と60ヘルツの路線に分かれている。
パワーウェイトレシオ(馬力対重量比)では、低速の場合はしけが米トン当たり0.2馬力 (0.16キロワット)、鉄道とパイプラインが米トン当たり2.5馬力 (2.1キロワット)、トラックが米トン当たり10馬力(8.2キロワット)必要となる。しかし、高速の場合鉄道がはしけを抜いて最も経済的な輸送機関となる。
一例として、典型的な現代の車両の台車である二軸ボギー台車は最大113トン(125米トン)の貨物を積載することが可能である。線路は列車の重量を均等に分散させ、道路輸送よりも車軸と車輪当たりの負荷が大きくなるため恒久的な運行での摩耗や裂けが少なくなる。これはゴムタイヤと道路との間の摩擦に依存する道路輸送などの他の輸送形態と比較してエネルギーを節約することができる。また、列車は輸送している積荷に対して小さい正面面積を持っている。このことから空気抵抗が減少し、そしてそれ故にエネルギー使用量が削減される。
さらに、車輪を案内する軌道の存在は非常に長い列車が1つもしくは少数のエンジンで牽引され、曲線でさえ姿勢を乱すことなく通過することを可能する。対照的に道路輸送では長大な車両は2つ以上の関節がフィッシュテーリングを引き起こし、自車のみならず他車や歩行者、建造物を危険にさらすことになる。
輸送手段の移動に費やされたエネルギーのみを考慮し、ポルトガル共和国リスボン市街地の例を使用すると、乗客の輸送に消費されるエネルギーは電車が自動車より平均20倍ほど効率的であることが分かる。
また近年は列車の高速化も進んできたことからただでさえ緩みやすい犬釘が更に緩みやすくなっており、幹線を中心に代替品への取り替えが進んでいる。代替として主に使用されるのはコンクリート枕木(特にプレストレスト・コンクリート製)やそもそも枕木を使用しないスラブ軌道などがある。
また、バラストも雨や雪の水分を吸収して徐々に緩んでいくため定期的な敷き直しが必要となる。これを放置すると乗り心地の低下が発生したり最悪の場合脱線してしまう。また、路盤への水の流入を防ぐために排水溝などの他の排水施設を適切に整備する必要もある。バラストの敷き直しにはマルチプルタイタンパーと言う車両が使用される。また、路盤が河川や海岸沿いにある場合は洪水などの場合に水が軌道内に流入することを防ぐために陸閘を設置するなど追加の防護対策が取られている。橋梁では列車の通過の際に短期間で大きな荷重を受けるため点検とメンテナンスが必要である。
レールは最初から組み立てられているか、敷設現場で組み立てられる。また、レール同士を溶接することでレール同士の隙間(ジョイント)が無くなり車輪の摩耗や破損、通過時の振動や騒音を軽減することができる。この溶接された長いレールのことをロングレールと呼ぶ。
線路は木材、コンクリート、鋼鉄、またはプラスチック製の枕木と呼ばれる部材に対して垂直に固定された2本の平行な鋼鉄製レールから構成される。2本のレールの間隔を軌間と言い、間隔が大きい順に広軌、標準軌、狭軌の3つに大まかに分類される。線路はトンネルや橋、その他の構造物を安全に通過できるように定められた鉄道車両の車両限界に合わせて敷設される。
線路は鉄道車両のフランジの付いた車輪を誘導し、自動車や船舶の様に操舵を行わずとも進行方向を変更することができ、したがってより長い編成でも安定して曲線を曲がることができる。レールと枕木は通常圧縮された土で作られた基礎(路盤)の上に置かれ、基礎と枕木の間にはバラストが敷かれる。バラストは列車からの荷重を分散して路盤に伝え、荷重によるレールの座屈や温度によるレールの伸縮による枕木の移動を防いでいる。また、バラストは排水性が良く雑草の育成も抑制される。なお、近代的な一部の路線ではバラストを用いず路盤に直接固定されることもある。
枕木にレールを固定するための釘を特に犬釘と呼ぶ。この犬釘は鉄道黎明期から使われていたものであるが、列車の振動により緩みやすく緩んだものを再度打ち直しても以前と同じ固定力を発揮できないなどの問題もあった。
また、軽い保線作業では保線を行いながら列車の運行が行える。しかし、その場合保線員の安全確保や資材の適切な保管、緊急時の列車停止手配方法などの取り決めなどを考慮しないといけない。特に退避スペースの少ないトンネルや橋梁では保線員の安全確保が非常に重要となってくる。また、大型車両の通過が困難な都心部や反対に道路の整備されていない山奥などでは従来の保線車両や資材運搬車両が進入できないこともある。このような場所では従来の車両より小型の車両が使用されている。
公道と異なり、鉄道路線は"ネットワークシステム"と呼ばれる1つの物からなっていると見なされている。このため、1つの区間で障害が発生したり保線作業が行われると別の区間にまで波及してしまう。このため、保線作業にあたっては影響の及ぶことが予測される全ての路線の性能(列車の運行の種類、出発地/目的地、季節の天候による影響)、容量(延長、地形、線路数、列車制御の種類)、列車の処理能力(最高速度、加減速度)などを意識して計画を練らないといけない。また、旅客列車と貨物列車の混在する路線では加減速度と最高速度の大きく違う列車が入り混じっているため側線や引込線、ターミナル駅のキャパシティにも注意を払わなければならない。
日本では1923年に堀之内軌道が馬車鉄道から動力変更するためにオットー・ドイッツ社製のディーゼル機関車を使用し、公共鉄道として日本で初めてディーゼル機関車を導入した鉄道となっている。また、普通鉄道では1929年と1930年にそれぞれドイツから鉄道省に納入されたDC11形ディーゼル機関車とDC10形ディーゼル機関車が日本初となる。しかしながら、この段階では量産を行えるほどの技術がなく、また技術の成熟している蒸気機関車の性能の方が高いこともあって量産は行われなかった。本格的な量産が行われたのは1957年より量産の開始された電気式のDF50形ディーゼル機関車からで、翌1958年からは液体式で入換用のDD13形ディーゼル機関車、4年後の1962年からは液体式で本線運用に就くDD51形ディーゼル機関車が量産され始めた。ディーゼルカーでは液体式のキハ10系気動車がDF50形ディーゼル機関車より前の1953年から量産されており、本形式が日本初の量産されたディーゼルカーとなっている。これ以前にも"気動車"という括りでは機械式ガソリンカーのキハ41000形気動車を1932年より量産している。
鉄道用の内燃機関の最も初期に記録された例には、1888年にウィリアム・トムソン卿がそれを 「[プリーストマン・オイル・エンジン]は、機関車に使用する目的で石油エンジンの適用を示すために一時的な線路上で作業されているトラックに搭載されていた。」と表現したウィリアム・デント・プリーストマンによって設計されたプロトタイプが含まれていた。1894年にプリーストマン・ブラザーズによって製作された20馬力(15キロワット)の2車軸車両がハル・ドックで使用された。
1906年、ルドルフ・ディーゼル、アドルフ・クローゼおよび蒸気機関とディーゼル機関の製造業者スルザーがディーゼル機関車を製造するためにディーゼル-スルザー-クローゼ有限会社を立ち上げた。スルザーは1898年以来ディーゼルエンジンを製造していた。プロイセン邦有鉄道は1909年に同社にディーゼル機関車を発注した。世界初のディーゼル機関車は1912年の夏にスイスのヴィンタートゥール-ローマンスホルン鉄道で運行が開始されたが、商業的には成功しなかった。この機関車の重量は95トンで、出力は883キロワット、最高速度は時速100キロメートルであった。1920年代半ばまでに少数の試作ディーゼル機関車が多くの国で生産された。
しかし、電化にあたって必要となる架線や第三軌条、変電所などの給電施設への高額の資本投資、そしてそれを維持するための高額の維持費が必要であるため、ローカル線などの乗客の少ない路線では投資に見合うほどの利益が得られないことから非電化となっていることが多い。また、直流と交流の電化方式の違う区間は交直両用電車と呼ばれる直流と交流の双方に対応した電車でないと直通することができないため、一方の電源にしか対応していない車両は運行区間の制限が掛かってしまう。
ディーゼル機関車とディーゼルカーは原動機にディーゼルエンジンを用いている。動力伝達方式は機械式、電気式、液体式の3種類であるが、機械式が支配的である。また、非電化区間ではディーゼル機関車・ディーゼルカーとして、電化区間では電気機関車・電車として走行する電気・ディーゼル両用車両も作られている。
これ以外の動力としては磁力 (磁気浮上式鉄道)、馬 (馬車鉄道)、ケーブル (ケーブルカー・ロープウェイ)、重力 (重力式鉄道)、空圧 (無火機関車)、ガスタービン (ガスタービン動車・ガスタービン機関車) などがある。