км 1891
27 202 1900
44 900 1913
58 500 1917
70 260 Карта железных дорог России к 1916 году
Строительство железных дорог в России началось в царствование Николая I, когда путями сообщения заведовал П. А. Клейнмихель. По свидетельству маркиза де Кюстина, Николай считал главной проблемой России её бескрайние расстояния и был намерен использовать для её решения современные технологии, импортированные из Западной Европы, вкупе с неограниченным людским ресурсом абсолютной монархии.
Если не считать нижнетагильской промышленной железной дороги Черепановых 1834 года (а также построенного в 1788 году Чугунного колесопровода и более поздних заводских дорог), первая железная дорога в Российской империи построена в 1837 году по маршруту «Санкт-Петербург — Царское село» (на 12 лет позже первой железной дороги в мире, появившейся в Великобритании в 1825 году). Финансировал строительство миллионер А. А. Бобринский, а вёл его австрийский инженер Герстнер. В 1840-е годы строится гораздо более протяжённая Николаевская железная дорога, соединившая два крупнейших города империи — Санкт-Петербург и Москву.
Против строительства железных дорог выступали владельцы дилижансов, доказывавшие, что в России этот вид транспорта никогда не получит распространения. Так же, как и в Европе, строительство первых железных дорог породило множество предрассудков, активно подогреваемых извозчиками, которые боялись разориться. Обычными были опасения вроде «Железные дороги помешают коровам пастись, куры перестанут нести яйца, отравленный дымом воздух будет убивать пролетающих птиц… дома близ дороги погорят… в случае взрыва паровоза будут разорваны на куски и все пассажиры», и «быстрота движения, несомненно, должна развивать у путешественников болезнь мозга». Ожидалось также, что строительство дорог вызовет миграцию населения и, следственно, «упадок нравственности».
Строительство железных дорог быстро зарекомендовало себя и стало поощряться царским правительством. Крымская война 1853—1856 наглядно продемонстрировала, что гужевого транспорта уже недостаточно для эффективного снабжения воюющей армии. Император Александр II учреждает особый железнодорожный фонд, а 15 июня 1865 года — Министерство путей сообщения Российской империи, с 1870-х годов начинается активное строительство во всех направлениях.
Прокладкой железных дорог занималось как государство, так и частные предприятия. За 1861—1870 гг. государство вкладывает в железнодорожное строительство 2,5 млрд руб., а за период 1890—1903 5,5 млрд руб. На 1890 в казне находится 29 % железных дорог, в 1891—1901 в результате массовых выкупов частных дорог в казну и строительства новых эта доля доходит до 69,6 %.
Настоящий бум железнодорожного строительства связан с именем С. Ю. Витте, который способствовал притоку в железные дороги России капиталов из-за рубежа. Он всемерно поощрял кредитование железнодорожных акционерных обществ и инвестиции в железнодорожное строительство со стороны новых союзников России — французов (см. франко-русский союз).
В период с 1882 по 1904 год строится Екатерининская железная дорога, которая соединила Донецкий угольный бассейн с Криворожьем и Юго-Западным краем. Она способствовала развитию топливно-металлургической базы на юге России, обеспечивала вывоз угля и железной руды на внутренний и внешний рынки. В 1887 построена восьмисоткилометровая Закаспийская железная дорога, на участке от Мерва до Чарджуя прошедшая через пустыню Каракумы. В 1888 дорога была доведена до Самарканда, в 1898 — до Андижана, и в 1899 передана из военного ведомства в Министерство путей сообщения; общая протяжённость составила 2,5 тыс. км.
В 1891 начато строительство Транссибирской магистрали (Сибирского пути), прошедшей сквозь тайгу, болота и области вечной мерзлоты. В полном объёме огромное по масштабам строительство было завершено в 1916. Строительство Великого Сибирского пути было представлено на Всемирной промышленной выставке 1900 года в Париже. За 10 лет строительства было построено 7,5 тыс. км путей. В 1901 по проекту инженера Ольшевского был построен железнодорожный мост через Амударью.
В 1895 начинаются переговоры с Китаем о проведении участка Транссибирской магистрали через территорию Маньчжурии. К 1903 была построена Китайско-Восточная железная дорога. Строительство КВЖД позволило распространять российское влияние, опираясь на полосу отчуждения железной дороги, что вызвало сильное раздражение как Китая, так и Японии, начинавшей претендовать на доминирование в Юго-Восточной Азии.
Накануне начала Первой мировой войны Россия выходит на второе место в мире, после США (при этом с разрывом в 6 раз) по общей протяжённости железных дорог, однако огромные расстояния делают эту сеть недостаточной; так, в Германии на 100 км² территории приходится в среднем 11,1 км железных дорог, в России — 1,1 км, кроме того, три четверти российских дорог были одноколейными. По обеспеченности железными дорогами на душу населения Россия уступала как США, так и крупнейшим европейским странам.
Наблюдается нехватка стратегически важных дорог: по ситуации на 1914 год русские железные дороги могли подвозить к границе 211 поездов в сутки, дороги противника — 530. Кроме того, на начало войны Архангельск был связан с центральными областями устаревшей узкоколейной дорогой, а Мурманск вообще не имел железнодорожного сообщения.
Консервативные круги не переставали критиковать железнодорожное строительство даже в начале XX века. Князь Мещерский о строительстве железных дорог: «Железная дорога убивает всё до неё бывшие народные ресурсы промысла и заработка там, где она проходит: село, деревня, местечко — всё беднеет и рушится». Н. Ф. Даниельсон: «Железные дороги, наряду с коммерческими банками, являются главнейшими насосами, перекачивающими ресурсы из деревни в город и обеспечивающими благоденствие капиталистических сегментов экономики за счёт обнищания и деградации крестьянства».
В 1886 году Александр III установил в качестве национального праздника день железнодорожника. Днём празднования был выбран день рождения его деда Николая I, который первым начал строительство железных дорог в России.