鉄道輸送
2018年の調査では、北京地下鉄の開通により「大気汚染物質濃度のほとんど(PM 2.5、PM 10、SO 2、NO 2、CO)が減少したが、オゾン汚染にはほとんど影響がない」ことがわかった。
スコットランド出身の発明家、機械技術者であるジェームズ・ワットは、これまで鉱山から水を汲み出すのに使用されていたトーマス・ニューコメンの蒸気機関を大幅に改良した。ワットは1769年に車輪を動かすことができるレシプロエンジンを開発した。ワットエンジンは木綿工場や様々な機械類を動かすのに使用されたが、それは大型の定置エンジンであった。当時のボイラー技術ではシリンダー内の真空に作用する低圧蒸気の使用を必要としたが、これには別の復水器と空気ポンプが必要であった。それにもかかわらず、ボイラーの構造が改善されるにつれてワットはピストンに直接作用する高圧蒸気の使用を考え始めた。これが実用化されるとより小型のエンジンが製作でき、それは鉄道車両を動かすことに使用できる可能性があったことから、ワットは1784年に蒸気機関車のために設計の特許を取得した。ワットの被雇用者であったウィリアム・マードックは同年に自走式蒸気輸送機関の試作車を製作した。
最初の本格的な実用鉄道蒸気機関車は、コーンウォール生まれのイギリス人機械技術者のリチャード・トレビシックによって1804年にイギリスで製作された。これは高圧蒸気を使用してエンジンを1パワーストロークで駆動した。トランスミッションシステムにはピストンロッドの作用を平準化するために大型のフライホイールを採用した。
旅客列車は乗客の乗降できる鉄道駅(停車場)間を運行する。旅客列車には列車を動かす運転士のほかに扉の開閉や緊急時の列車防護、車内放送などを行う車掌が乗務する。ただし、近年は自動放送の普及で車内放送業務を行わない線区もあるほか、ワンマン列車では車掌は乗務していない。また、特急列車や観光列車では食堂車で料理を提供する食堂従業員や車内販売を行う車内販売員、沿線や列車の解説を行うガイドなども乗務することがある。旅客列車は主に遠方の都市を結ぶ都市間連絡列車・長距離列車やそれに準ずる中距離列車、都市と郊外の比較的短距離の区間を結ぶ通勤列車などが存在する。それらには特急形車両や近郊型車両、通勤型車両など用途に合わせた多様な車両が充当され、列車種別や最高速度も異なっている。基本的に長距離列車はより長距離・高速度・少停車駅・低頻度であり、通勤列車はより短距離・低速度・多停車駅・高頻度である。
都市間連絡列車・長距離列車は主に都市間をいくつかに絞った停車駅に停車しながら結ぶ列車である。日本では消滅しているが海外では乗車時間が長いことが多く食堂車が連結されている場合も多い。また、一部の区間では寝台車を用いた夜行列車が運行されていることもある。多くの長距離列車には列車愛称が付けられている。中距離列車は長距離列車より短い区間の都市と周辺地区を結ぶ列車で、その性質上長距離列車よりも停車駅が増えていることが多い。
1804年2月21日、サウス・ウェールズのマーサー・ティドビル近郊のペナダレンで世界初の蒸気機関車の運行が開始された。トレビシックは後にロンドンのブルームスベリーに敷設された円形の軌道上を走行する蒸気機関車キャッチ・ミー・フー・キャンを実演走行させたが、この機関車は非常に重く軌道が長時間の荷重に耐え切れないため実験車両の域を出なかった。
最初の商業的に成功した蒸気機関車は1812年にリーズのミドルトン鉄道のためにマシュー・マレーが製作したラック式機関車サラマンカであった。この機関車はエッジレールの軌道を走行するのに十分な重さではなく、一方のレールの側面にラックを、機関車に歯車をつけて噛み合わせることで粘着力の問題を解決した。また、このことからミドルトン鉄道は世界初のラック式鉄道である。
これに続いて1813年にはクリストファー・ブラケットとウィリアム・ヘドリーがウィラム炭鉱鉄道用に製作したパッフィンビリー機関車が登場した。この機関車は多数の車輪に重量を分散することで粘着力の問題を解決した。パッフィンビリー機関車は現在ロンドンのサイエンス・ミュージアムに展示されており、現存する世界最古の蒸気機関車である。
1814年、ジョージ・スチーブンソンはトレビシックの初期の機関車、マレーとヘドリーに触発されキリングワース炭鉱のマネージャーを説得し、そこで蒸気機関車の製作を許可された。
貨物列車は貨物の種類に特化した貨車を使用して貨物を輸送する列車である。貨物列車は非常に効率的で、大規模の経済性と高いエネルギー効率を兼ね備えている。しかし、貨物駅間のみの運行であるため、着発地でトラックへの積み替えが必要である場合トラックのみで輸送する方が安上がり・短時間な場合もあり、ドア・ツー・ドアを行う場合は貨物列車を使用しないことが多い。しかしながら、二酸化炭素排出量抑制のために政府や鉄道会社はしばしば貨物列車の利用を奨励している。
コンテナ車を用いたコンテナ貨物列車はコンテナ(通常は海上コンテナそのもの)をフォークリフトやクレーンを使用してトラックや船舶に簡単に積み替えることが可能であることから、手作業で積み替える必要があった有蓋車による輸送よりも遥かに楽であり貨物輸送のコンテナ化が進むこととなった。また、コンテナ輸送では基本的に共通仕様のコンテナが使用されるため、複数の会社が関わって物流を支えるサプライチェーン・マネジメント業界に革命をもたらし輸送コストの大幅な削減にも繋がった。
鉄道は、多数の顧客や労働者を郊外から都心部、あるいはその反対へ輸送することで社会の活性化と経済競争力に貢献している。香港は鉄道を「公共交通機関の中枢」と認識しており、鉄道を中心に連携を取りつつバスシステムや道路インフラを開発した。北京、上海、広州などの中国の大都市では、電車の運行を枠組みとしたバスの運行が首都圏の交通システムの主要機関として認識されている。日本の新幹線は、「日本の産業と経済の中心」である東京駅 - 神戸駅間を結ぶ東海道本線で増大する交通需要に応えるために建設された。
20世紀の大半の間、鉄道は軍の動員の非常に貴重な要素であり、大量の予備兵を彼らの召集地点へ、そして歩兵を最前線へと迅速かつ効率的に輸送することを可能にした。しかし、21世紀までには鉄道輸送は同じ大陸の場所に限定され戦闘機の発達により航空攻撃を受けやすくなっていたため、航空輸送の採用によって大きく置き換えられていった。
鉄道路線は電化されると列車に燃料を積まなくても走行ができるようになり、運行コストの削減や列車の高速化が可能となる。しかしながら、路線全体に渡って架線あるいは第三軌条を敷設する必要があること、一定区間ごとに変電所を建設する必要があることなど莫大な費用の初期投資が必要となる欠点もある。電化方式の内、主に幹線や路面電車で採用されている架線を使用するものを架空電車線方式、主に地下鉄で採用されている第三軌条を使用するものを第三軌条方式と言う。また、ロンドン地下鉄では世界的に珍しい第四軌条方式を採用している。
電力は直流か交流で供給される。直流で一般的に使用される電圧は路面電車や高速輸送機関では600ボルトか750ボルト、幹線では1,500ボルトと3,000ボルトである。交流で一般的に使用される電圧は15キロボルトと25キロボルトである。また、交流の周波数は50ヘルツと60ヘルツが広く使用されている。