Hệ thống điện khí hóa đường sắt cung cấp năng lượng dưới dạng điện cho các đoàn tàu đường sắt hay các xe điện mà không cần một đầu máy xe lửa cung cấp sức kéo hoặc một nguồn nhiên liệu trên tàu. Điện khí hóa đường sắt sử dụng một đầu máy tàu điện kéo theo các toa chở khách hoặc chở hàng hoặc các tàu điện động lực phân tán, toa chở khách được trang bị động cơ điện riêng trên các toa. Dòng điện thường được sinh ra từ nhà máy công suất lớn, hiệu năng cao, tiếp tục được truyền đến mạng lưới đường sắt và phân bố cho các đoàn tàu. Một số tuyến đường sắt điện khí hóa có các trạm phát điện riêng và các đường dây điện trên cao nhưng hầu hết thường mua từ một công ty điện lực. Đường sắt sẽ bao gồm luôn cả các hệ thống điện phụ trợ, chuyển mạch điện, biến áp...Năng lượng cung cấp để vận hành đoàn tàu là một nguồn dẫn (gần như) liên tục chạy song hành với đường ray và thuộc một trong hai dạng: đường dây trên cao treo bởi hệ thống cột hoặc tháp dọc theo đường ray hoặc gắn với các kết cấu đường sắt khác hoặc trần của con hầm (mà tàu điện đi vào) hoặc một ray thứ ba đi dọc theo đường ray, tàu điện sẽ lấy điện bằng một thanh truyền gọi là chân tiếp xúc. Cả hệ thống đường dây trên cao và ray thứ ba thường là cực dương và sử dụng đường ray chạy tàu làm cực âm nhưng cũng có hệ thống khác hệ thống ray thứ tư phân tách sử dụng một đường ray riêng làm cực âm.So sánh với phương thức cấp năng lượng khác như đầu máy diesel, việc điện khí hóa cung cấp một nguồn năng lượng ổn định hơn, giảm được khí thải và đòi hỏi chi phí vận hành thấp hơn.Các đầu máy tàu điện cũng thường gây ồn ít hơn, mạnh hơn, đáp ứng nhanh và đáng tin cậy hơn diesel. Chúng cũng không có các nguồn phát khí thải, một lợi thế quan trọng khi hoạt động trong các hầm hay khu vực dân cư. Một vài hệ thống tàu còn có phanh tái sinh có thể chuyển động năng ngược trở lại thành điện để lưu trữ hoặc truyền ngược lên hệ thống điện lưới. Trong khi đầu máy diesel đốt dầu mỏ, điện sử dụng cho đầu máy điện lại có thể được tạo ra từ các nguồn khác nhau bao gồm cả năng lượng tái tạo.Các nhược điểm của điện khí hóa là chi phí cao khi xây dựng và có thể không có hiệu quả kinh tế trên các tuyến đường sắt hoạt động thưa thớt; tương đối thiếu linh hoạt - do các tàu điện phải cần các hệ thống đường sắt được điện khí hóa, rủi ro khi mất điện... Các vùng miền khác nhau sẽ sử dụng các nguồn cung điện khác nhau về hiệu điện thế hay tần số, sự phức tạp này đòi hỏi các đầu máy tàu điện phải chuẩn bị thích ứng với nhiều kiểu nguồn điện khác nhau nếu muốn mở rộng phạm vi hoạt động hoặc thương mại. Khoảng cách an toàn cần thiết giữa dây điện trên cao với các toa cũng có thể làm giảm hiệu quả với hình thức vận tải container xếp chồng.Điện khí hóa đường sắt liên tục tăng trong những thập kỷ qua, và vào năm 2012, đường sắt được điện khí hóa đã chiếm tỉ lệ một phần ba tổng chiều dài đường sắt toàn cầu.[1]