К концу 19 века начали формироваться железнодорожные узлы, создаваться сортировочные станции (Петербург-Сортировочный, 1878), сортировочные горки (Ртищево, 1893). В конце 19 века — начале 20 века в России многие учёные и инженеры вели работу по усовершенствованию технических средств железной дороги. Первые опыты по применению электрической тяги провёл (1876) инженер Ф.А. Пироцкий. А.П. Бородин создал первую в мире лабораторию для испытания локомотивов (1882); телефонную связь для регулирования движения поездов применил П. М. Голубицкий (1884); Я.Н. Гордеенко в конце 19 в. успешно осуществил блокировку и централизованное управление, стрелок и сигналов. Большой вклад в развитие техники и науки на железной дороге сделали русские учёные Н.П. Петров, Н.А.Белелюбский, а в советское время В.Н.Образцов, Г.П. Передерий, М.П. Костенко, Б.Н. Веденисов, Д.Д. Бизюкин, А.П. Петров, А.В. Горинов и многие др., а также изобретатели Ф.П. Казанцев, И.К. Матросов, И.О. Трофимов, Ф.Д. Барыкин и др.
Эксплуатационная длина железной дороги России к 1917 составляла 70,3 тыс. км. Перевозки осуществлялись в двухосных вагонах с ручными тормозами. Эксплуатировались малоэкономичные для того времени паровозы, для управления движением поездов применялись в основном жезловые аппараты, телеграф. За годы Советской власти в техническом оснащении и организации движения на железной дороге СССР произошли огромные изменения. В 1924 был построен первый в мире тепловоз мощностью 1000 л. с. Электрификация железной дороги, начавшаяся в 1926, была частью плана ГОЭЛРО. С 30-х гг. проводилось интенсивное техническое перевооружение железной дороги СССР. После Великой Отечественной войны 1941 - 1945 было восстановлено 65 тыс. км железнодорожных путей, 13 тыс. мостов, 4100 станций. Развитие железной дороги в послевоенные годы связано с их реконструкцией: массовое введение прогрессивных видов тяги (электрической и тепловозной), строительство большегрузных вагонов, оборудованных автотормозами и автосцепкой, укладка более мощных рельсов, внедрение устройств механизации, автоматики, телемеханики и совершенных средств связи.
Быстрый рост железной дороги в 19 веке был вызван прежде всего их крупными преимуществами в сравнении с др. видами транспорта. Так, стоимость перевозки грузов уже по первым железными дорогами была в 4 - 7 раз ниже, чем гужевым транспортом, и даже ниже стоимости перевозок по мелководным рекам и каналам. Усовершенствование железнодорожной техники и рост объёма перевозок способствовали дальнейшему снижению стоимости перевозок. Себестоимость перевозки грузов по железной дороге СССР измеряется (1970) долями копейки (0,23) за 1 т х км и является самой низкой в мире; себестоимость пассажиро-километра составляет около 0,55 коп. Однако низкая себестоимость перевозок по железной дороге может быть только при очень высокой грузонапряжённости (например, в СССР свыше 18 млн. т х км на 1 км эксплуатационной длины сети) и при большой дальности перевозок (например, в СССР 861 км), а также при перевозках, осуществляемых тяжеловесными поездами (свыше 2500 т брутто). При перевозках грузов по железной дороге на короткие расстояния, и особенно небольших партий в сборных легковесных поездах, себестоимость перевозок возрастает в несколько раз и во многих случаях оказывается выше себестоимости перевозки таких же партий грузов автотранспортом. Скорость доставки грузов по железной дороге примерно вдвое выше, чем речным и трубопроводным транспортом, но ниже, чем автотранспортом и тем более авиатранспортом. Скорость доставки грузов, например по железной дороге СССР, составляет (с учётом всех видов простоя вагонов в пути следования) около 240 - 320 км/сут, или 10 - 12 км/ч (1970). Приблизительно такая же скорость доставки грузов и в большинстве зарубежных стран. Скорость движения пассажирских поездов (не считая экспрессов) близка к скорости движения современных автобусов.