Ο σιδηρόδρομος υψηλής ταχύτητας αναφέρεται σε τρένα που ταξιδεύουν σε ειδικές γραμμές με ταχύτητα άνω των 200 km/h (125 mph). Η Διεθνής Ένωση Σιδηροδρόμων περιγράφει ένα τρένο υψηλής ταχύτητας ως ένα τρένο που ταξιδεύει ταχύτερα από 250 km/h (155 mph) σε αποκλειστικές γραμμές ή 200 km/h σε αναβαθμισμένες συμβατικές γραμμές. Τα τρένα υψηλής ταχύτητας χρησιμοποιούνται ευρέως στην Ιαπωνία και τη Γαλλία, αλλά η Κίνα και οι Ηνωμένες Πολιτείες έχουν το καθένα από ένα και εξετάζουν το ενδεχόμενο περαιτέρω υιοθέτησής τους. Άλλες χώρες με τρένα υψηλής ταχύτητας περιλαμβάνουν το Βέλγιο, τη Γερμανία, την Ιταλία, την Πορτογαλία, τη Νότια Κορέα, την Ισπανία, την Ταϊβάν και το Ηνωμένο Βασίλειο. Το πρώτο τρένο υψηλής ταχύτητας στον κόσμο ήταν το Tōkaidō Shinkansen, που ξεκίνησε τον Οκτώβριο του 1964, το οποίο ταξίδευε μεταξύ Τόκιο και Οσάκα στην Ιαπωνία.
Η πιο πρόσφατη έρευνα στον σιδηρόδρομο υψηλής ταχύτητας περιλαμβάνει τη χρήση τροχιών maglev, όπου οι μαγνήτες είναι προσεκτικά διατεταγμένοι για να επιτρέπουν στο τρένο να επιπλέει πραγματικά πάνω από τις γραμμές. Αυτό είναι σχετικά ακριβό, αλλά μειώνει σημαντικά την τριβή και αυξάνει την πιθανή τελική ταχύτητα. Το ιαπωνικό τρένο maglev, JR-Maglev MLX01, έφτασε τα 361 mph (580.9 km/h) το 2003, θέτοντας το ρεκόρ για το ταχύτερο τρένο. Το ρεκόρ για τα συμβατικά σιδηροδρομικά τρένα σημειώθηκε από το γαλλικό TGV, τρένο a grande vitesse, το οποίο έφτασε τα 357.2 mph (574.8 km/h) στις 3 Απριλίου 2007.
Τα τρένα υψηλής ταχύτητας είναι μια αποτελεσματική μορφή μεταφοράς σε περιοχές όπου η πυκνότητα του πληθυσμού είναι υψηλή και οι αποστάσεις είναι μεγάλες αλλά όχι πολύ μεγάλες. Αυτό εξηγεί την υιοθέτησή τους στη Γαλλία και την Ιαπωνία. Οι μεγαλύτεροι χρόνοι προετοιμασίας που σχετίζονται με τη μετάβαση στο αεροδρόμιο, την παραβίαση της ασφάλειας, την επιβίβαση, την ταξί και την απογείωση, καθιστούν τα τρένα υψηλής ταχύτητας ελκυστική εναλλακτική λύση στα αεροπορικά ταξίδια υπό ορισμένες συνθήκες. Έχουν υποβληθεί προτάσεις για την ανάπτυξη τρένων υψηλής ταχύτητας μεταξύ Βοστώνης, Νέας Υόρκης και Ουάσιγκτον, DC, στην ανατολική ακτή και μεταξύ Σαν Φρανσίσκο και Σακραμέντο στην Καλιφόρνια.
Μερικά πλεονεκτήματα των τρένων υψηλής ταχύτητας έναντι των αεροπορικών ταξιδιών είναι η μεγαλύτερη χωρητικότητα, η λιγότερη δαπάνη καυσίμων, το χαμηλότερο κόστος, η λιγότερη ρύπανση και η καλύτερη ασφάλεια. Ως εμπειρικός κανόνας, θεωρείται ότι τα τρένα υψηλής ταχύτητας νικούν τα αεροσκάφη με άνεση για ταξίδια κάτω των 3 ωρών. Για ένα τρένο υψηλής ταχύτητας που ταξιδεύει με 300 χλμ/ώρα (186 μίλια/ώρα) ή 400 χλμ/ώρα (249 μίλια/ώρα), αυτό μπορεί να επεκταθεί σε σημαντικές αποστάσεις. Το κεφαλαιουχικό κόστος της επένδυσης σε ένα νέο σιδηροδρομικό σύστημα υψηλής ταχύτητας και η κατασκευή των ειδικών σιδηροδρομικών γραμμών κάνει τους επενδυτές να είναι επιφυλακτικοί απέναντι σε τέτοιες προτάσεις, ένα ζήτημα που παρατηρείται επίσης στην πυρηνική ενέργεια.