Các thanh ray được chế tạo thành đoạn có chiều dài cố định do bị hạn chế bởi khả năng chuyên chở cũng như để tạo thuận lợi cho việc sản xuất hàng loạt. Do vậy cần phải nối các thanh ray lại để tạo thành tuyến đường dài liên tục. Hiện nay các thanh ray thường có chiều dài 12.5m hoặc 25m

Ray nối bằng bulông

Là phương pháp nối các thanh ray bằng cách dùng các bản thép nối gọi là bản cá hay bản nối và bắt bu lông (boulon trong tiếng Pháp).

Bản cá thường dài khoảng 60 cm được bắt bulông vào hai đầu 2 thanh ray cần nối. Số lượng bu lông cần dùng thường là 4, đôi khi dùng tới 6. Giữa các thanh ray người ta chừa ra khoảng trống, gọi là khe giãn, để các thanh ray có thể giãn ra khi trời nóng. Các lỗ trên tấm bản cá có hình oval cũng nhằm mục đích trên. Cách bố trí các mối nối ray cũng khác nhau, ở Anh người ta bố trí các mối nối trên 2 thanh ray cùng một chỗ trong khi ở Mỹ người ta bố trí so le.

Do phải chừa các khe co giãn nên khi bánh tàu hỏa chay qua mối nối ray sẽ phát ra âm thanh va chạm. Do vậy tàu lửa chạy trên tuyến sẽ không êm thuận bằng tuyến đường sử dụng kỹ thuật nối ray bằng phương pháp hàn, đồng thời vận tốc cũng không cao.

Một vấn đề lớn nữa là tình trạng xảy ra nứt xung quanh lỗ bu lông do hiện tượng tập trung ứng suất và hiện tượng mỏi có thể dẫn đến phá hoại đầu thanh ray. Sau sự kiện tai nạn Hither Green, các công ty tàu hỏa Anh bắt đầu chuyển sang dùng đường ray liên tục hóa bằng phương pháp hàn. Tuy vậy ở các tuyến tàu hỏa tốc độ không cao cũng như ở các nước có đường sắt kém phát triển phương pháp nối ray này vẫn được dùng phổ biến do chi phí thấp.

Mối nối cách điện

Trên đoạn đường sắt có sử dụng đèn tín hiệu, đường ray còn đóng vai trò truyền điện do vậy xuất hiện yêu cầu phải phân cách đoạn ray này với các đoạn khác. Các mối nối này rất yếu, và người ta chèn keo epoxy vào khoảng trống giữa hai thanh ray do đó cũng cải thiện được khả năng chịu lực của các mối nối này. Kỹ thuật đếm trục xe ra đời giúp giảm bớt số lượng các mạch điện này do vậy cũng dẫn đến giảm các mối nối cách điện.

Ray hàn

Kỹ thuật hàn đường ray đã phổ biến từ những năm 1950. Các tuyến đường sắt hiện đại phần lớn sử dụng ray hàn liên tục (CWR). Các đoạn ray được hàn lại với nhau bằng kỹ thuật hàn chảy đối đầu để tạo thành tuyến đường liên tục dài vài km hoặc sử dụng kỹ thuật hàn nhiệt nhôm để sửa chữa hay nối các đoạn CWR có sẵn. Bởi vì số lượng các mối nối ít đi nên tuyến đường sẽ trở nên êm thuận hơn rất nhiều, không những vậy mối nối loại này còn cứng hơn loại mối nối thông thường và ít cần duy tu bảo dưỡng hơn.

Kỹ thuật chảy đối đầu đặt chạm 2 đầu 2 thanh ray cần hàn vào nhau và dùng thiết bị truyền dòng điện mạnh vào thanh ray. Do dòng điện các đầu thanh sẽ nóng chảy và được ép lại với nhau tạo thành mối hàn.

Kỹ thuật hàn nhiệt nhôm là kỹ thuật thủ công đòi hỏi phải có lò nung và khuôn để chứa thép nóng chảy. Các mối nối theo cách này kém bảo đảm và dễ bị nứt vỡ hơn.