鉄道の高速化（てつどうのこうそくか）は、鉄道の改良によって列車の運行時間を短縮することである。ここでは特に新幹線（高速鉄道）による鉄道網拡大の代替となりうる在来線高速化事業および新線建設について述べる。日本国外では中速鉄道（ちゅうそくてつどう、英: medium-speed rail）、準高速鉄道（じゅんこうそくてつどう、英: semi-high speed rail）という用語が使われることもある。
高速化の手法

既存路線の改良による高速化は、新線建設と比べるとはるかに費用を抑えられ工事も容易であることが多い。部分的に従来の線路を放棄して別の用地に新たな線路を敷設する手法もとられる。運行頻度の高い線区を営業運転させながらの改良工事は運行に支障を来すため、列車を運休させることがある。

高速化は、特に車両性能の向上が重要な要素であるが、それだけでなく、地上設備、信号保安、ダイヤ構成、保線、保守など、鉄道を構成する要素のバランスの上に成り立つものであり、それらの要素の何かが欠けると、高速化の効果が低下したり、乱れやすいダイヤになったりすることがある。また、輸送障害や事故の原因にもなりうる（例：JR福知山線脱線事故、JR北海道の多数のトラブル）。

高速化により、沿線の騒音や振動が悪化する場合がある（例：名古屋新幹線訴訟）。

また、線路改良や新車投入などのコストがかかるため、投資額と時間短縮効果のバランスをとることが重視される。

高速化は利用客の利便性の観点からはサービスアップの要因の一つとなりうるが、上位種別のような所要時間の短い列車に乗客が集中し、各駅停車のような所要時間の長い列車との乗車率の差が顕著に出る場合がある。その場合、混雑緩和・乗車率の平準化を目的として、あえて上位種別の列車の所要時間を延ばす場合もある。また、ダイヤ構成上、下位種別との接続が悪い場合、高速化の効果が限定的になることがあり、高速化の効果を発揮するにはダイヤ構成も重要な要素となる。

夜行列車の場合、所要時間よりも有効時間帯に入れることを重視し、敢えて高速運転を行わない場合もある。例えば、上越新幹線開業前の上野?金沢間の在来線特急の事例では、昼行の特急「はくたか」が6時間30分程度で結んでいたのに対し、同じ区間を走っていた夜行の特急「北陸」では7時間30分程度かけて運転していた
既存路線の改良

直線区間では、最高速度や加減速性能の高い高性能車両の導入を初めとして、ロングレール化・重軌条化やFFU枕木への交換などが行われる。

曲線区間の占める割合が多い路線では上記に加え、振り子式車両に代表される車体傾斜車両の導入やカントの扛上[注 1]、抜本的な解決策として特にネックとなる部分の別線付け替えなどを行う。

電化区間では高速運転に対応した架線吊架方式（例：コンパウンドカテナリ方式）に取り換える。

分岐器の高番数化や両開き弾性分岐器への変更を行うほか、列車交換を行う交換駅・信号場では一線スルー化などを行う。

一般的な意味での高速化とは多少趣が異なるが、ミニ新幹線（後述）や地下鉄への直通のように直通運転を可能とすることによってトータルでの所要時間の短縮が図られることも多い。

一部の国、特に欧米では、線形がよく地盤が強固な在来線においても客車・貨物列車等で160 km/h - 200 km/h程度の高速運転が行われている。

JR北海道では、北斗系統のさらなる高速化を目指してハイブリッド車体傾斜システムの実用化を目指したキハ285系気動車を落成させたが、開発中止により、試験および営業運転を行わずに廃車・スクラップとなった[注 2]。

列車密度が高い線区では、複々線化による緩急分離を行い、線路当たりの列車密度を下げて速度向上を実現する手法もある。ただしこの方法は、膨大なコストと長期の工事期間、線路増設スペースの確保などの課題がある。

列車性能を高性能な車種に統一することで、比較的性能の低い列車に制約されることなく、高速化を実現できる。

信号保安システムを改良することにより、列車密度を維持しつつ、高速化を行う手法もある。

ダイヤ構成上は、遠近分離や緩急接続により、所要時間の短縮を実現する場合がある。

高速新線

日本の在来線最高速で運用されていたほくほく線の特急はくたか許容速度160 km/hを示す標識と信号、奥にトンネル

高速新線は、高速運転を目的として路線の設計段階から急曲線および急勾配を極力廃して建設された路線のことである。日本におけるそれでは、国土が山がちであることから急曲線を排除するためにトンネルや長大橋梁を多用する傾向があり、建設コストが高額になりやすい。なお、国鉄後期に建設された線区は路線の性質にかかわらずトンネルや長大橋梁を駆使して建設されているために多少の改良で高速運転が可能で、このような線区では高性能車両の投入によって実際に高速化されていることが多い。未成線になりかけたところを高速化により開通にこぎつけた事例も少なくない。

一方フランスのTGV用新線やドイツのICE用新線では、急曲線こそないものの、30 ‰程度の勾配は許容されており、地形的な優位性も相まってトンネルや長大橋梁は比較的少ない。「LGV」も参照
運用中である日本の高速新線

新幹線

JR北海道石勝線：最急曲線半径800 m / 最急勾配12 ‰として建設され、振子式車両は新規建設区間においては全線で130 km/h運転が可能である。

JR北海道海峡線：北海道新幹線との併用を前提に建設された。140 km/h運転可能。

JR西日本湖西線：最急曲線半径1400 m / 最急勾配19 ‰として建設され、途中踏切がなく130 km/hでの運転が可能。また信号機改良やホームドア設置で160 km/h運転可能。

北越急行ほくほく線：非電化ローカル線として建設されていた北越北線を途中で設計変更し、単線電化160 km/h運転対応の高規格新線として1997年に開業した。

首都圏新都市鉄道つくばエクスプレス：全線が高規格新線として建設され、通勤形車両ながら最高速度130 km/h運転を行っている。

伊勢鉄道伊勢線

智頭急行智頭線：非電化ローカル線として建設されていた智頭線を工事再開時に設計変更し、単線非電化ながら130 km/h運転対応の高規格新線として1994年に開業した。

京成成田空港線：日暮里（京成本線） - 空港第2ビル間を36分で結ぶ。一部区間は北総鉄道北総線との線路共用を実施。成田高速鉄道アクセス区間での最高速度は160 km/h。

新在直通運転詳細は「新在直通運転」を参照

日本のように高速鉄道路線と在来線とで軌間が異なる鉄道網では、改軌や三線軌条化、あるいは高速度走行に耐えうる軌間可変車両の導入によって直通運転させることによっても鉄道の高速化が実現する。方法として下記が考えられている[1]。
車両側で対応する方法「異ゲージ直通運転方式」[2]


軌間可変方式 - 車両の構造が複雑になる欠点がある[3]。軌間可変電車（フリーゲージトレイン）。

台車交換方式 - 時間がかかりすぎる欠点がある[3]が、列車本数が少なく長距離運転を行う場合に有利である[4]。

軌道側で対応する方法「改軌方式」[2]


標準軌方式 - 速度向上が見込め、狭軌との軌道中心線が一致するので在来の地上施設を有効に活用できる一方、狭軌車両が走行できない[3]。

三線軌方式 - 狭軌、標準軌双方の車両が走行できるが、軌道中心線がずれるので、ホームやトンネル、橋梁といった構造物の改良が必要。