Первая железная дорога в России была построена в 1837 году, связав Санкт-Петербург с Царским Селом и Павловском. Долгое время 27-километровая магистраль оставалась единственной в стране. Лишь в 1851 году была открыта дальняя железнодорожная магистраль, соединившая Москву и Санкт-Петербург. Крымская война 1853–1856 годов показала несовершенство системы коммуникаций России — правительство не могло быстро перебросить войска из центральных районов страны в зоны боевых действий в Крыму, на Балканах и на Кавказе.
При Николае I, стороннике жесткой централизованной власти, железные дороги были казенными и строились на средства бюджета. С началом царствования Александра II ситуация стала меняться. Отмена крепостного права и стратегические соображения привели к буму строительства железных дорог, которые связали разные районы огромной империи. Были учреждены частные компании (многие с частным капиталом), получившие права на строительство дорог, которые бы соединили основные российские житницы на Украине, Юге и Волге с Петербургом, Москвой, Варшавой и портами Черного и Балтийского морей.
Из стратегических соображений в России была выбрана так называемая русская колея, которая была шире стандартной европейской: для проезда требовалась замена колес подвижного состава, и это должно было препятствовать быстрому передвижению войск потенциального противника.
Уже в 1870-х годах в России начался бум железнодорожного строительства. Если в 1860 году, до реформ Александра II, в стране было всего 1,2 тыс. километров железных дорог, то в 1880-м, в конце царствования Александра II, уже 21,6 тыс. километров — в 17 раз больше. Развитие железнодорожного транспорта привело к промышленному буму во многих новых районах (например, на Юге), а также бурному росту портовых городов, таких как Одесса и Рига.
В 1891 году началось строительство Транссиба, связавшего европейскую часть страны с Тихоокеанским побережьем. Участок магистрали от Челябинска до Владивостока строился 25 лет и был завершен только в 1916 году. Первые поезда пошли из Москвы во Владивосток еще в 1901 году, но они проходили через территорию Китая — строительство Китайско-Восточной железной дороги обусловило экспансию России в Манчжурию и столкновение с интересами Японии. Сооружение Транссиба способствовало экономическому освоению и колонизации Сибири и Дальнего Востока, развитию городов. Так, современный Новосибирск вырос в месте пересечения магистрали с рекой Обь. Он стал ключевой станцией для перевалки алтайского зерна с речных барж на железную дорогу, что обусловило быстрое развитие города с конца XIX века. Завершение строительства Транссиба позволило обеспечивать отправку войск, поставки амуниций и провианта в Манчжурию во время Русско-японской войны 1905 года. Британская The Times тогда писала, что «если в России и было что-то, что могло предотвратить военную катастрофу на востоке, это был Транссиб».
Транссиб был крупнейшей, но не единственной железной дорогой, фактически связавшей разрозненные части Российской империи. В 1883 году железная дорога соединила Баку и Батум, что позволило отправлять русскую нефть на экспорт на европейские рынки. Магистраль из Оренбурга в Ташкент была достроена в 1905 году. Это открыло Среднюю Азию для русской массовой колонизации, а среднеазиатский хлопок получил доступ на рынок Европейской России. Железная дорога из Петрозаводска в Мурманск, единственный незамерзающий порт на севере, была построена в 1916 году.
К началу Первой мировой протяженность железных дорог России составляла 55,8 тыс. километров, но и этого было недостаточно для гигантских масштабов страны. К западной границе империи подходили 13 магистралей, из которых двухпутными были только пять. Германия, Австро-Венгрия и Румыния имели к российской границе 32 железнодорожные линии (14 двухпутных). Русские железные дороги могли подвезти к западным границам 211 поездов в сутки, а дороги европейских соседей — 530. Что во многом определило ход военных действий на Восточном фронте.
