La grande vitesse ferroviaire consiste à faire rouler des trains à grande vitesse, en général sur des voies spéciales, que l'on appelle alors « lignes à grande vitesse (LGV) ». La construction de ces lignes nouvelles représente un investissement souvent très important pour le pays qui la décide, c'est pourquoi les enjeux de la grande vitesse et son impact économique et social sont étudiés en profondeur avant et après construction. Les trains qui peuvent circuler à grande vitesse sont appelés des trains à grande vitesse.
Si tous les trains ne roulent pas à la même vitesse, en Europe, on parle de grande vitesse à partir de 200 km/h sur voies conventionnelles réaménagées et de 250 km/h sur voies dédiées (Directive 96/48 EC, Annexe 1). Il existe en Europe des lignes dédiées permettant d'atteindre régulièrement des vitesses commerciales de 250, 300, voire 320 km/h.
Compte tenu des caractéristiques techniques des lignes ferroviaires à grande vitesse, leur construction représente un investissement lourd.
L'investissement au kilomètre est fonction de divers paramètres, dont :
le relief des zones à traverser ;
les ouvrages d'art à construire ;
le type de ligne envisagé, réservée aux circulations à grande vitesse ou mixte trains de voyageurs et trains de fret ;
l'insertion dans le paysage et respect des réglementations locales en matière d'environnement.
Début 2007, on estimait le coût moyen au kilomètre à 17 millions d’euros courants, pour une emprise de 40 m (largeur totale) et une plateforme de 14 m, soit environ trois fois le coût de construction d'une autoroute 2×2 voies.
Dans certains pays au relief accidenté (Espagne notamment), ce coût moyen peut doubler. Il en est de même lorsque la densité de population est telle que les lignes doivent passer en tunnel sur une longueur importante (desserte de la gare Londres - Saint Pancras).
Dans une étude effectuée pour RFF en mai 2009, le prix kilométrique varie entre 8 M€ et 66 M€. Les ouvrages d'art augmentent le coût kilométrique.
Dans l'avant projet SNIT 2010, les prix varient entre 12,9 M€/km pour la LGV Poitiers Limoges à 57,57 M€/km pour LGV PACA.
Les lois d'orientation du Grenelle II imposent au maître d'œuvre d'optimiser l'intégration environnementale des LGV ce qui augmentera considérablement leur coût kilométrique.
L'investissement peut être compensé si le trafic voyageurs est suffisant. RFF indique sur son site qu'une LGV utilisée à son potentiel maximal par des TGV Duplex équivaut à une autoroute 2x5 voies, soit environ 12 000 personnes (9 000 véhicules) par sens et par heure en pointe (en réalité un peu moins, cf partie "capacité")
Une rentabilité difficile à apprécier
Le rapport Pébereau sur la dette publique aborde ces aspects : « L'appréciation de la rentabilité des projets d'infrastructure est par nature une question extrêmement délicate. […] La rentabilité des projets d'investissements publics est donc très difficile à estimer au moment de la prise de décision, c'est-à-dire 5, 10 ou 15 ans avant la mise en service. Mais cela ne suffit pas à justifier les faiblesses qu'une étude de la direction générale du Trésor et de la Politique économique a identifiées dans le processus de décision ».
« le coût des projets est souvent sous-estimé. […] L'écart entre les coûts prévus et les coûts constatés semble être particulièrement élevé pour les infrastructures de transport public, tout particulièrement dans le domaine ferroviaire. Ainsi pour la LGV Nord, les surcoûts après déclaration d'utilité publique auraient été de 30 % ».
« les gains attendus, tant économiques que sociaux, sont souvent largement surestimés. Dans le domaine ferroviaire, le trafic sur la LGV Atlantique serait inférieur de 30 % aux prévisions ». L'excédent brut d'exploitation de 1 milliard de francs fut cependant conforme aux prévisions et le trafic a depuis doublé (40 millions en 2018). Le trafic initial sur la LGV Est a par contre été significativement supérieur aux prévisions.