Le chemin de fer ou transport ferroviaire est un mode de transport guidé caractérisé par une infrastructure spécialisée composée de deux rails parallèles reliés par des traverses et posés sur un ballast fait de pierres. Ces voies ferrées sont construites sur des remblais, des déblais, des ponts, des viaducs, traversent des souterrains appelés tunnels afin d'obtenir un profil économe en énergie. Les chemins de fer permettent la circulation des trains, tramways, tram-trains et métros. Utilisé pour le déplacement de personnes et de marchandises, ils constituent, avec les modes routier, fluvial et aérien, l'un des principaux moyens de transport modernes.
Apparu dans la première moitié du XIXe siècle avec la révolution industrielle en Grande-Bretagne, le chemin de fer connaît un développement spectaculaire en Europe et en Amérique, jouant un rôle essentiel dans les domaines économiques et militaires et améliorant considérablement les déplacements. Son usage se répand ensuite au monde entier tant pour le trafic de voyageurs que pour le commerce.
En dépit d'un recul relatif au profit des autocars puis de l'automobile, le XXe siècle voit la mutation du chemin de fer avec le développement de la traction électrique et l'explosion des transports ferrés en milieu urbain, en particulier les tramways et métros, puis l'apparition des trains à grande vitesse qui permettent un regain d'intérêt pour le mode ferroviaire. Des moyens de transport dérivés du chemin de fer, comme le monorail ou le train à sustentation magnétique, font également une apparition épisodique.
Le matériel roulant et les procédures d'exploitation du chemin de fer font le plus souvent appel à une l'intervention humaine, même si le développement de l'automatisation limite de plus en plus le rôle de l'Homme à une supervision.
Par métonymie, « chemin de fer » désigne aussi les sociétés exploitantes, souvent appelées autrefois « compagnies ». Les employés du chemin de fer sont appelés « cheminots ».
En France, l'expression « chemin de fer » est apparue officiellement dans l'ordonnance royale du 26 février 1823 autorisant la construction de la première ligne française à Saint-Étienne. L'adjectif correspondant, « ferroviaire », qui dérive de l'italien ferrovia, est apparu vers 1911.
Le système ferroviaire est aussi utilisé sous diverses déclinaisons spécialisées : métros, tramways, chemins de fer à crémaillère ou funiculaires, et plus récemment grande vitesse ferroviaire.
L'infrastructure des chemins de fer est appelée voie ferrée. Elle se compose, la plupart du temps, de deux files de rails posés sur des traverses, d'appareils de voie, de passages à niveau, de la signalisation (à ses débuts, principalement avec des sémaphores), et, le cas échéant, des installations de traction électrique (sous-stations, caténaires, etc.). La voie ferrée est généralement posée en remblai sur un ballast, et peut emprunter différents ouvrages, tunnels, viaducs, tranchées. Ceux-ci permettent un profil régulier supprimant quasiment les rampes et descentes afin de réduire la consommation d'énergie.
Le matériel roulant circule communément en convois, appelé trains ou rames. Les convois sont composés de wagons pour les marchandises ou de voitures pour les passagers (en particulier la voiture-bar), et sont tractés par des machines à vapeur locomotives, à essence, Diesel ou électriques à caténaires, batteries ou piles à combustible. Il peut également s'agir de rames autotractées, c'est-à-dire incluant leur propre système de traction.
L'humain est au centre des systèmes ferroviaires couramment rencontrés, que ce soit pour la conduite des trains, l'orientation des convois vers leur destination, la sécurisation des voyageurs ou marchandises transportées. Le travail de l'humain est encadré par des procédures.
Très tôt, on a légiféré sur le chemin de fer. En France, la loi du 15 juillet 1845 pose les bases de la Police du Chemin de Fer. Depuis, de nouvelles lois et de nombreux règlements sont venus la compléter, en ce qui concerne la sécurité, l'organisation et le service public.
Le chemin de fer s'est vraiment développé lors du boom ferroviaire des années 1840 mais de très nombreuses innovations avaient eu lieu au cours des siècles précédents.
L'un des premiers exemples de chemin guidé est celui du diolkos, un système permettant aux bateaux de franchir l'isthme de Corinthe en Grèce, construit au VIe siècle av. J.-C. Des chariots tirés par des bêtes de somme circulaient sur des blocs de pierre entaillés. Ce chemin guidé a fonctionné jusqu'au Ier siècle.
Sur les sections difficiles des voies romaines (en montagne, aux abords des ponts), les roues des chariots étaient guidées par des pierres entaillées en profondes ornières.
La réapparition des transports guidés est attestée en Europe aux alentours de 1550, pour des voies minières. Celles-ci utilisaient des rails de bois. La première voie ferrée a été établie au Royaume-Uni au début du XVIIe siècle, principalement pour le transport du charbon d'une mine à un canal, d'où il pouvait être chargé sur des barges. On trouve des traces de ce genre de chemins de fer à Broseley dans le Shropshire. Les rails étaient constitués de bois nu, les roues étaient munies de boudins, comme sur les véhicules ferroviaires actuels. En 1768, la compagnie Coalbrookdale eut l'idée de remplacer ses rails en bois par des rails en fonte moulée, pour limiter l'usure de la voie et transporter de plus lourdes charges.
Les rails de fer sont apparus au début du XVIIIe siècle. L'ingénieur William Jessop conçut des rails prévus pour être utilisés avec des roues sans boudin : ils constituaient une sorte de cornière. Ces rails devaient être utilisés pour un projet dans le secteur de Loughborough, Leicestershire en 1789. En 1790 il était de ceux qui fondèrent une aciérie à Butterley, près de Ripley, dans le Derbyshire, pour produire des rails (entre autres). Le premier chemin de fer ouvert au public a été le Surrey Iron Railway, ouvert en 1802 par Jessop. Les convois étaient tractés par des chevaux.
La première locomotive à vapeur à fonctionner sur des rails a été construite par Richard Trevithick et essayée en 1804 à Merthyr Tydfil au pays de Galles. Cette tentative ne fut pas couronnée de succès, l'engin étant si lourd qu'il brisait la voie.
En 1811, John Blenkinsop conçut la première locomotive réellement utilisable. Il fit breveter (No 3431) un système de transport du charbon mû par une locomotive à vapeur. La ligne fut construite, raccordant Middleton Colliery à Leeds. La locomotive a été construite par Matthew Murray de Fenton, Murray and Wood. Le Middleton Railway fut donc en 1812 le premier chemin de fer à utiliser la vapeur avec succès dans un objectif commercial. C'est également le premier à faire l'objet d'actes juridiques. La ligne du chemin de fer de Stockton et Darlington longue de 40 km, inaugurée le 27 septembre 1825 avec la Locomotion n° 1 de George Stephenson, fut la première au monde permettant le transport commercial de passagers avec des locomotives à vapeur.