Đa phần công nghệ phía sau đường sắt cao tốc là một sự áp dụng cải tiến công nghệ đường sắt khổ tiêu chuẩn và lấy điện từ cần phía trên. Bằng cách xây dựng một cơ sở hạ tầng đường sắt mới với kỹ thuật của thế kỷ 20, gồm cả việc hạn chế các giới hạn như giao cắt đường cùng mức, dừng liên tục, một sự tiếp nối liên tục các đường cong và đường cong đảo chiều, và không chia sẻ quyền sử dụng đường với các đoàn tàu chở hàng hay tàu chở khách tốc độ thấp, các đoàn tàu luôn duy trì được tốc độ cao (250–320 km/h). Tổng chi phí sở hữu các hệ thống đường sắt cao tốc nói chung thấp hơn tổng chi phí những phương án thay thế cạnh tranh (đường cao tốc hay đường không mới). Các hệ thống của Nhật thường đắt đỏ hơn các đối thủ nhưng có độ tin cậy lớn hơn bởi chúng có đường dẫn riêng mức, không có giao cắt, và các hệ thống giám sát thảm hoạ. Dù vậy phần lớn chi phí của hệ thống Nhật Bản liên quan tới việc đào hầm qua núi, như ở Đài Loan. Những cải tiến gần đây với bánh xe đã đẩy các giới hạn tốc độ vượt quá 400 km/h, trong số các tiến bộ có các bộ điều chỉnh độ nghiêng tàu, thiết kế khí động học (để giảm lực cản, lực nâng, và tiếng ồn), phanh không khí, phanh tái hấp thu năng lượng, động cơ mạnh hơn, ghi trọng lượng động, vân vân. Một số cải tiến là để giải quyết các vấn đề, như thảm hoạ Eschede. Tốc độ kỷ lục của một tàu hoả chạy điện là 574.8 km/h được lập bởi một đoàn tàu TGV rút gọn trên một đoạn đường thẳng dài. Tốc độ kỷ lục với một tàu thương mại chưa chuyển đổi là 403.7 km/h, do tàu Class 403 của Deutsche Bahn, xếp hạng Kiểu của Đức cho Siemens Velaro, nắm giữ. Các tuyến đường cao tốc của châu Âu thường bao gồm các đoạn đường mới, nơi các con tàu chạy hết tốc độ thương mại, và một số đoạn đường cũ ở các đầu mút, gần các thành phố.

Tại Pháp, chi phí xây dựng (€10 triệu/km (US$15.1 triệu/km) chho LGV Est) đã được giảm thiểu bằng cách chấp nhận những mức độ cao dần thay vì xây dựng các đường hầm và cầu cạn. Tuy nhiên, tại đất nước Thuỵ Sĩ nhiều đồi núi, các đường hầm là không thể tránh khỏi. Bởi các tuyến đường được dành riêng để chở khách, độ dốc 3.5%, chứ không phải độ dố tối đa 1–1.5% như trước kia cho giao thông hỗn hợp, được áp dụng. Có thể cần tới những khu đất đắt đỏ hơn để xây dựng các tuyến đường thẳng hơn để giảm thiểu chi phí xây dựng cũng như chi phí hoạt động và bảo dưỡng. Tại các quốc gia khác đường sắt cao tốc được xây dựng mà không tính tới các yếu tố kinh tế đó để đường sắt cũng có thể hỗ trợ các loại hình vận tải khác, như chở hàng. Tuy nhiên kinh nghiệm cho thấy, những đoàn tàu có tốc độ thay đổi lớn gây ra sự sụt giảm đáng kể ở khả năng của tuyến đường. Vì thế, các tuyến đường vận tải hỗn hợp thường được dùng cho các đoàn tàu chở khách ban ngày, trong khi các đoàn tàu chở hàng hoạt động ban đêm. Trong một số trường hợp, các đoàn tàu cao tốc ban đêm thậm chí được chuyển thành các tuyến tốc độ thấp để nhường đường cho việc chở hàng.