Le train à grande vitesse fait référence aux trains qui circulent sur des voies spéciales à plus de 200 km/h (125 mph). L’Union internationale des chemins de fer décrit un train à grande vitesse comme un train qui se déplace à plus de 250 km/h (155 mph) sur des voies dédiées, ou 200 km/h sur des voies conventionnelles améliorées. Les trains à grande vitesse sont les plus utilisés au Japon et en France, mais la Chine et les États-Unis en ont chacun un et envisagent de l’adopter. Les autres pays dotés de trains à grande vitesse sont la Belgique, l’Allemagne, l’Italie, le Portugal, la Corée du Sud, l’Espagne, Taïwan et le Royaume-Uni. Le premier train à grande vitesse au monde était le Tōkaidō Shinkansen, lancé en octobre 1964, qui voyageait entre Tokyo et Osaka au Japon.
Les dernières recherches sur le train à grande vitesse impliquent l’utilisation de voies magnétiques, où des aimants sont soigneusement disposés pour permettre au train de flotter au-dessus des voies. Ceci est relativement coûteux, mais réduit considérablement le frottement et augmente la vitesse de pointe possible. Le train maglev japonais, JR-Maglev MLX01, a atteint 361 mph (580.9 km/h) en 2003, établissant le record du train le plus rapide. Le record pour les trains ferroviaires conventionnels a été établi par le TGV français, train à grande vitesse, qui a atteint 357.2 mph (574.8 km/h) le 3 avril 2007.
Les trains à grande vitesse sont un moyen de transport efficace dans les zones où la densité de population est élevée et les distances sont longues mais pas trop longues. Ceci explique leur adoption en France et au Japon. Les temps de préparation plus longs liés à l’accès à l’aéroport, au passage des contrôles de sécurité, à l’embarquement, au roulage et au décollage, font des trains à grande vitesse une alternative intéressante au transport aérien dans certaines circonstances. Des propositions ont été avancées pour le développement de trains à grande vitesse entre Boston, New York et Washington, DC, sur la côte est et entre San Francisco et Sacramento en Californie.
Certains avantages des trains à grande vitesse par rapport au transport aérien sont une plus grande capacité, moins de dépenses de carburant, un coût inférieur, moins de pollution et une meilleure sécurité. En règle générale, on considère que les trains à grande vitesse battent les avions par commodité pour des trajets de moins de 3 heures. Pour un train à grande vitesse roulant à 300 km/h (186 mph) ou 400 km/h (249 mph), cela peut s’étendre sur des distances importantes. Le coût en capital de l’investissement dans un nouveau système ferroviaire à grande vitesse et de la construction des voies dédiées rend les investisseurs méfiants face à de telles propositions, un problème également rencontré dans l’énergie nucléaire.