Lịch sử giao thông đường sắt bắt đầu vào thế kỷ thứ 6 TCN ở Hy Lạp cổ đại. Nó có thể được chia thành nhiều giai đoạn rời nhau được phân biệt bằngi các phương tiện chính của vật liệu làm đường sắt và nguồn lực đầu máy được sử dụng.

Thời gian đầu

Tuyến đường ray đầu tiên là con đường Diolkos xây dựng thế kỷ thứ 6 trước Công nguyên, dài 6,4 km dùng chuyển các thuyền qua eo đất Corinth ở Hy Lạp. Thời đó, để đi từ biển Ionian sang biển Aegea, tàu thuyền phải đi vòng bán đảo Peloponnese. Con đường hàng hải này có ba mũi đá nhô ra biển làm nó trở nên vô cùng nguy hiểm, nhiều thương thuyền đã bị đắm nơi đây. Con đường Diolkos là giải pháp hữu hiệu đưa thuyền bè qua lại an toàn. Những con tàu nằm trên các xe chở do nô lệ hoặc súc vật kéo. Nền con đường là đá vôi, có hai rãnh song song để bánh xe lăn trong đó. Khoảng cách hai rãnh là 1,5 m (có lẽ đây là căn cứ cho tiêu chuẩn khổ đường sắt sau này). Diolkos được sử dụng hơn 1.300 năm cho đến giữa Thiên niên kỷ thứ nhất. Những xe goòng kéo bằng ngựa trên các lằn đá đầu tiên xuất hiện ở Hy Lạp, Malta và các vùng thuộc Đế quốc La Mã ít nhất là 2.000 năm trước.

Vào khoảng năm 1550, đường ray xuất hiện trở lại ở Châu Âu, nhưng bấy giờ ray làm bằng gỗ. Những đường ray đầu tiên của nước Anh được xây dựng vào đầu thế kỷ 17, chủ yếu là dùng chuyển than từ mỏ đến bờ sông, kênh đào để chất lên thuyền. Thời kỳ này, bánh xe đã có gờ phía trong để chống trật ray, tuy vậy đường ray vẫn làm bằng gỗ nên chóng mòn và phải thay thế. Năm 1768, đường ray bắt đầu được phủ lớp sắt lên trên giúp cho chúng có bề mặt bền bỉ hơn nhiều.

Đến cuối thế kỷ 18, đường ray bằng sắt bắt đầu xuất hiện và năm 1802, William Jessop - kỹ sư xây dựng người Anh khai trương tuyến vận chuyển đường sắt công cộng Surrey ở nam Luân Đôn. Mặc dù vẫn sử dụng ngựa kéo, đây được coi là tuyến đường sắt công cộng đầu tiên trên thế giới.

Đầu tàu hỏa đầu tiên do Richard Trevithick chế tạo và chạy thử năm 1804 ở Merthyr Tydfil, xứ Wales. Thử nghiệm không thành công một phần bởi động cơ quá nặng làm đường ray không chịu nổi. Năm 1807, tuyến đường ray do ngựa kéo nối Swansea và Mumbles ở xứ Wales trở thành đường sắt chở hành khách đầu tiên trên thế giới.

Giai đoạn tiếp theo (1811 - nay)

Năm 1811, nhà sáng chế người Anh John Blenkinsop thiết kế thành công đầu tàu hơi nước đầu tiên. Tuyến đường sắt sử dụng đầu máy này là đoạn nối Middleton Colliery và Leeds ở Anh dùng chở than. Cái đầu máy được chế tạo bởi Matthew Muray, công ty Fenton, Murray and Wood. Và tuyến đường sắt này với tên Middleton Railway (đường sắt Middleton) là tuyến đầu tiên trên thế giới sử dụng đầu máy hơi nước cho mục đích thương mại. Đó cũng là đường sắt đầu tiên ở nước Anh được xây dựng bởi một đạo luật của Quốc hội.

Năm 1830, đường sắt Liverpool và Manchester hoàn thành, là tuyến đường nối các thành phố đầu tiên trên thế giới. Mẫu đầu tàu sử dụng trên con đường này được thiết kế bởi George Stephenson mang tên Rocket, nó trở thành đầu máy nổi tiếng. Thành công của tuyến đường chứng minh tính hiện thực của phương thức vận tải mới. Đường sắt nhanh chóng được xây dựng khắp nước Anh và toàn thế giới. Nó là phương tiện vận chuyển trên bộ thống trị gần một thế kỷ cho đến khi máy bay và ô tô ra đời.

Những thập niên sau Chiến tranh thế giới thứ hai, đầu máy dùng động cơ diesel và động cơ điện dần thay thế đầu máy hơi nước. Từ thập kỷ 1960, đường sắt cao tốc bắt đầu xuất hiện ở nhiều nước mà tiên phong là Nhật và Pháp.