一般的に地下鉄と呼ばれる路線でも高架区間や地上区間を有することはあるが、トンネル構造物が区間の大部分を占める地下鉄では保守点検作業に多くの手間が掛かる。そのため、それを少しでも減らすために維持の手間が少ない直結軌道やスラブ軌道の路線を採用していることが多い。この方式では床や枕木にコンクリートを使用するため、砂利を敷き詰めるバラスト軌道に比べ寿命が長く、車体への負担も少ないという利点がある。その代償に初期費用がバラスト軌道に比べて非常に割高である。
世界の全ての地下鉄が電化されている。その電源・集電方法は国や路線によって様々である。電源は直流600〜1500Vが主に使われている。交流を採用している路線は、インドのデリー（25000V 50Hz）のみである[2]。アジアでは750Vと1,500Vが、ロシア・東ヨーロッパでは825Vが、西ヨーロッパや北アメリカでは600Vから750Vが、南アメリカでは750Vや3,000Vが主流である。集電方法は第三軌条方式（および第四軌条方式）と架空電車線方式があるが、国や地方同士の中でも混在しており、分布の偏りは見られない。なお、第三軌条方式は鉄道が走行する2本のレールに平行して3本目のレールを敷設し、このレールを通じて電源を供給する方式である。地下鉄において集電方法に第三軌条方式を採用すると架空線の場合よりもトンネルの断面積が狭くなり、建設費用が抑えられる。同じ目的で日本などの一部の国では鉄輪式リニアモーターカーも採用されている。
ニューヨーク市地下鉄の入り口アール・ヌーヴォー様式のパリ地下鉄の入り口
地下鉄の他に地上の鉄道路線や高速鉄道などの複数の路線が乗り入れるターミナル駅は地上構造物を共有している場合があるものの、地下鉄のみの駅は地上に駅舎の設備を備えず全てを地下に備えている駅が多いことが特徴的である。
多くの地下鉄駅の場合、地上の構造物はいたってシンプルであり、地下へと繋がる昇降設備、つまり駅への入り口のみで構成されている。だが、地上・地下への階段の昇り降りは、障害者や高齢者にとっては地下鉄の利用の妨げとなっている。そこで、近年各国で新設されている路線ではこれらの人のために、エスカレーターやエレベーターを設置するなどして駅をバリアフリー化する試みが行われることが常である。
地下鉄しか乗り入れていない地下鉄駅の入り口はバス停留所のように歩道へ設置されていることが多く、一目で地下鉄駅だと認識できるような工夫がされている。この例として、地下鉄を運営する団体や路線のロゴを掲げたりペイントアートを行ったりする例が挙げられる。また、駅構内の広大な壁面を利用し、広告の掲示や絵画などの美術作品の展示が行われることもある。
地下鉄のプラットホームは地下にあることが多い。地下にある場合、換気設備や消火設備の重要性が特に高いため、常に整備する必要がある。しかしながら、駅の構造や予算の問題等で十分に整備が行き届いていない路線が多いのが現状とされる。1990年代以降に建設された一部の路線には、落下防止柵やホームドアの設置といった安全対策も行われている。また、地理や言葉に不慣れな乗客のために構内の放送だけでなく、プラットホームに列車の行先・種別を表示したり、駅名をアルファベットで表記したり、案内用として各駅に固有の番号を付けたりする（駅ナンバリング）など各種の配慮が講じられるようになってきている。
車両バレンシア（スペイン）の車両の内部
開業当初のロンドン地下鉄の車両は蒸気機関車だったため、石炭を燃焼した際の煙を水槽内の水に通過させることにより空気中に排出される煙を抑える構造を備えていた。
その後は電気鉄道となるが、概ね幅2500mm程度、長さ15000mm程度の小柄な車両が用いられた。その後、幅2800mm、長さ18000mm程度までに大型化する。第二次世界大戦後はさらに車両が大型化し、東アジアでは幅2800〜3200mm、長さ20000mm程度の大型車両が用いられる例（東京、ソウル、シンガポールなど）もある。一方で建設費の点でトンネル断面を小さくした結果、車両も特殊な小型車とする例（イギリス・ロンドンのチューブ、グラスゴー、ブダペストなど）もある。
車両性能は高速性能より高加減速性能や登坂性能が重視される。このため、電動車の比率が高い。道路下など狭隘な土地に建設されるために急曲線・急勾配が多く、駅間距離も短いためである。
車体は大量の人員を輸送する関係で多くの扉が取り付けられている。全長18000mm以上の車両を中心に片側4扉以上の車両もあるが、世界的には1両当たり片側3扉が主流である。また列車の編成長は欧米で100〜120m前後、アジアでは200m程度のものもみられる。
座席は欧米ではクロスシートの例が多く、アジアではロングシートが多い。また宗教的な理由や痴漢対策という観点から女性専用車両が導入されている国がいくつかある。
素材には外板には燃えにくい金属材料を使用するのはもちろんのこと、内装材にも不燃性、難燃性の素材が推奨されている。これは避難経路の限られた地下空間での火災の発生が大惨事を招く可能性が高いためである。しかし内装材については、日本などの一部の国を除いては依然として可燃性の素材が用いられていることが多い。中には古い全木製の車両が走っている地下鉄もある。
地下鉄車両の冷房化はそもそも欧州では必要なところが少ないが、それ以外でも遅れた。これには以下の理由がある。車内を冷房すればそれによって発生する熱が車外に放出され、トンネル・駅が暑くなる。次に冷房用の低電圧の電気を生むには車両に積んでいる様々な機材に対してそれ用の発電設備を別に積まなくてはならず、その場所を確保できなかった。そもそも第三軌条を採用した地下鉄には、冷房装置を積むだけの空間がなかった。
しかし、技術の進歩によってこれらは解決された。大きな要因は制御方式に抵抗器を用いないサイリスタチョッパ制御やインバータによる可変電圧可変周波数制御（VVVF制御）が普及したことがあげられる。これによって車両から熱源を無くすことが可能になり、さらに冷房用の電源を積むスペースもできた。
