Türkiye’de demiryolu ulaşımının tarihsel gelişimi temel olarak iki ana döneme ayrılmaktadır: Cumhuriyet öncesi dönem ve Cumhuriyet sonrası dönem. Cumhuriyet öncesi dönemde hatların büyük kısmı yabancı şirketlere verilen imtiyazlarla inşa edilmiş ve yabancı devletlerin ekonomik çıkarlarına hizmet etmiştir. Cumhuriyet sonrası dönem ise kendi içinde 1923-1950 arası demiryolu ağırlıklı kalkınma dönemi ve 1950 sonrası karayolu ağırlıklı gerileme dönemi olmak üzere alt evrelere ayrılır.
Cumhuriyet öncesi demiryolu hamlesi 1856 yılında bir İngiliz şirketi tarafından inşa edilmeye başlanan 130 km'lik İzmir-Aydın hattı ile başlamıştır. Bu hattın seçilmesinde bölgenin nüfus yoğunluğu, yüksek ticari potansiyeli ve İngiliz sanayisinin ham maddeye kolayca ulaşabilme isteği etkili olmuştur. Ayrıca Ortadoğu'nun kontrolü ve Hindistan yollarının denetlenmesi açısından stratejik bir önem taşıyordu.
Osmanlı döneminde İngilizlerin yanı sıra Alman ve Fransız sermayesi de demiryolu yapımında rol oynamış, her devlet kendi etki alanını oluşturmuştur. Batılı devletler, sanayi devrimi sonrasında tarım ürünlerini ve önemli madenleri en hızlı şekilde limanlara ulaştırmak amacıyla kilometre başına kâr güvencesi gibi imtiyazlarla hatlar inşa etmişlerdir. Bu durum demiryolu güzergâhlarının milli çıkarlardan ziyade yabancı devletlerin iktisadi ve siyasi amaçlarına göre şekillenmesine neden olmuştur.
Cumhuriyetin ilanından sonra yabancı şirketlerin denetimindeki demiryolları millî çıkarlar doğrultusunda yeniden yapılandırılmıştır. Kendine yeterli 'milli ekonomi' yaratılması amaçlanmış ve demiryollarının ülke kaynaklarını harekete geçirmesi hedeflenmiştir. 1932 ve 1936 yıllarındaki Beş Yıllık Sanayileşme Planlarında demir-çelik, kömür ve makine gibi kitlesel yüklerin en ucuz taşınma yolu olarak demiryoluna büyük ağırlık verilmiştir.
Bu dönemdeki demiryolu politikası iki temel aşamada yürütülmüştür: Birincisi, yabancı şirketlerin elindeki demiryollarının satın alınarak veya anlaşmalarla devletleştirilmesi suretiyle ulusal nitelik kazandırılmasıdır. İkincisi ise ulusal bütünlüğün ve ekonominin ihtiyaçlarını karşılayacak yeni demiryolları inşa edilmesidir.
Cumhuriyet öncesinde demiryollarının yüzde 70'i Ankara-Konya hattının batısında kalırken, Cumhuriyet döneminde yolların yüzde 78.6'sı doğu bölgelerine döşenmiştir. II. Dünya Savaşı'na kadar büyük bir hızla süren demiryolu yapımı neticesinde 1923-1950 arasında 3.578 km yol yapılmış, bunun 3.208 km'si 1940 yılına kadar tamamlanmıştır.
1950 yılından sonra ABD'nin Marshall yardımı ile Türk ekonomisinde karayolu ağırlıklı bir politika izlenmeye başlanmıştır. Tarım ve tüketim mallarına dayalı sanayileşme süreci iktisadi yapıya egemen olurken, yeni demiryolu yapımı neredeyse durma noktasına gelmiştir. Ulaştırma alt sistemleri arasında koordinasyon sağlanamamış, karayolları yatırımları plan dönemlerinde ağırlığını korumuştur.
1950-1980 yılları arasında yılda sadece ortalama 20 km yeni hat yapılabilmiştir. 1980'li yılların ortalarında başlatılan otoyol yapım seferberliği turizm ve GAP'tan sonra 3. büyük proje olarak kabul edilmiş, otobanlara milyarlarca dolar harcanırken demiryolu altyapı projeleri hayata geçirilememiştir. Mevcut hatlar yüzyılın başındaki ölçekte kalmıştır.
Ulaşım politikalarının bu değişimi istatistiklere de net şekilde yansımıştır: 1955 yılında genel ulaştırma sistemi içinde yolcuda yüzde 22 ve yükte yüzde 61 olan demiryolunun payı, 1999 yılında yolcuda yüzde 2'ye, yükte ise yüzde 5'e gerilemiştir. 1950-1997 yılları arasında karayolu uzunluğu yüzde 80 artarken demiryolu uzunluğu sadece yüzde 11 artış göstermiştir.
Topografik engellerin aşılmasında kullanılan tüneller ve köprüler demiryolu ulaştırmasının hayati unsurlarıdır. 2015 yılı verilerine göre Türkiye genelinde toplam 204 km uzunluğa sahip 808 adet tünel bulunmaktadır. Aynı yıl verilerine göre ulaşımın daha hızlı ve ucuz olmasını sağlayan, toplam 89 km'yi aşan uzunlukta 25.614 adet köprü demiryolu ağlarında yer almaktadır.
Karayolundan farklı olarak kapıdan kapıya taşımaya elverişli olmayan demiryollarında istasyonlar ve garlar sistemi ayakta tutan merkezi yapılardır. İzmir Alsancak Garı, 1858'de Punta adıyla hizmete giren Türkiye'nin ilk garıdır ve İzmir-Aydın hattının başlangıcındadır. İstanbul'daki Sirkeci Garı, Türkiye'yi Avrupa'ya bağlayan Şark Demiryolları'nın son noktası olup 1890'da açılmıştır.
Haydarpaşa Garı ise Bağdat Demiryolu hattının başlangıcıdır ve Alman mimarlar tarafından inşa edilmiştir. Tarihi boyunca 1917 cephane sabotajı, 1979 Independenta tankeri patlaması ve 2011 çatı yangını gibi büyük tahribatlar yaşayan gar, Ankara hızlı tren çalışmaları nedeniyle 2012'de şehirlerarası seferlere kapatılmıştır. Ankara Garı ise 1937'de açılmış, Türk mimar Şekip Akalın tarafından tasarlanmış olup müze ve galerileri de barındırmaktadır.
Zamanın etkin kullanımı, çevre dostu olma ve güvenlik gibi avantajları nedeniyle 2003 yılından sonra devlet politikalarında hızlı tren projelerine öncelik verilmiştir. Ankara, Eskişehir, İstanbul, Konya, İzmir, Sivas ve Bursa gibi büyük nüfuslu kentleri birbirine bağlayan koridorlarda hızlı tren hatları planlanmıştır.
Türkiye'nin ilk yüksek hızlı tren hattı olan Ankara-Eskişehir hattı 14 Mart 2009 tarihinde seferlerine başlamıştır. Bu hattı 23 Ağustos 2011 tarihinde devreye giren Ankara-Konya hızlı tren hattı izlemiştir.
Büyük bir stratejik öneme sahip İstanbul-Ankara hızlı tren hattı ise 17 Aralık 2014 tarihinde hizmete girmiştir. Bu hatların yanı sıra Ankara-Sivas ve Ankara-İzmir hızlı tren hatlarının yapım ve altyapı çalışmaları sürmektedir.