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。その電源には電動発電機より小型のSIV（静止型インバータ）を採用することで、より省スペース化を図ることができる。冷房装置そのものについても小型化がすすみ、第三軌条の車両でもその天井に薄型のものを置けるようになった。
現存する特殊な車両を用いる例として、ゴムタイヤ式が挙げられる。フランスと日本でそれぞれ開発された。フランスで開発されたものはカナダのモントリオールで万国博覧会の際に最初に建設された。これはゴムタイヤを使用した最初の路線であった。通常のレールと車輪を案内とし、その外側にゴムタイヤとその踏板を設ける方式である。他にパリ、メキシコシティでも同様の方式が採用されている。これに対し、日本の札幌で実用化されたものは走行用のゴムタイヤのほかに中央に1本の案内軌条を作り、それをゴムタイヤで挟む方式である。ゴムタイヤ方式では騒音の発生が少なく、発車時の加速や停車時の減速が滑らかであるという特徴を持つが、消耗したタイヤの粉塵が舞うことから健康被害を心配する声もある。また、転がり抵抗が鉄車輪式に比べ大きいので消費電力が多く、定期的にタイヤを交換する必要がありランニングコストが鉄車輪式よりも高くなる。タイヤにはラジアルタイヤが用いられており、パリでは過去にパンクした際、内部のスチールコードが第三軌条と接触して短絡する事故も起きている。
建設費を抑える為、1980年頃からは性能を保持したまま車両を小型化することが可能なリニア誘導モーターによる非粘着推進の車両が登場した。
車両の搬入については地上に置かれた車両基地へ送る、地下の車庫の直上に搬入用の穴を設けてクレーンで下ろすといった方法がある。車両メーカーからの車両基地への輸送方法は乗り入れ先の地上を走る鉄道線経由で送り込む、他の鉄道路線との物理的な接続がない場合には一般道路をトレーラによる陸送で送り込む方式が採られている。
地下鉄の建設方法は他の地下構造物の建設と同様に様々な種類があるが、その中でも特に主流を占める工法は開削工法（オープンカット工法）とシールド工法の2種類である。
地面の土を掘り返し、路線を建設した後に埋めなおすという工法。工事費が安く工期が短いのが特長で、1980年代まで世界各地の地下構造物の建設工法として主流であった。一方で地面を開削することに起因する制約も多く、地面から深い場所や路線の上に建造物や河川などがある場合は使えない。日本の京都のように地下に多量の埋蔵文化財（遺跡）を抱えている都市では開削工法による工事の前に埋蔵文化財の発掘調査が必要になり、その分の経費と時間が必要となる。また道路上を開削するため道路交通の障害になるという問題もあるが、交通量の多い時間帯には工事を止め、開削した穴を一時的に鉄板で覆って上部を通行可能とすることである程度緩和することができる。
シールド工法は横から掘り進むことによってトンネルを掘る工法。地下鉄の深さまで垂直に穴を掘った後、路線を建設する予定の空間にシールドマシンと呼ばれる円筒状の機械で掘り進みながらトンネルを造っていく。複数の路線が地下で立体交差する場合や既設の地下鉄路線や下水道などの地下構造物が近くに存在したり、駅の地下空間に既に何らかの建造物が存在する場合には有利であり、さらに地上の交通に殆ど影響を与えないといった利点を持つ。現在では地下にも多くの構造物があり地下鉄路線自体も以前に比べて地下深くに建設されるようになってきたため、地下鉄路線の建設はシールド工法が中心になってきている。しかし面積が広大である駅舎や地面から浅い場所で特に地上交通に配慮する必要がない路線は開削工法が有利であり、どちらの工法も状況に応じて利用されている。
岩盤が特に固い場所などでは掘削した部分を素早くコンクリートで吹き付けて固め、ボルトで固定する新オーストリアトンネル工法（NATM）が用いられることがある。