軌道設計
鐵路顧名思義就是用鋼鐵造的，兩條平衡的鋼軌卡著車輪，一方面提供堅硬而阻力少的線路供列車行駛，以提高行駛的速度；另一方面固定在路基及卡著車輪以避免列車出軌，提高安全性。而隨著行車的速度提高，對軌道質素的要求亦不斷提高。
一般人印像中的火車軌，是在路基上的碎石上面鋪了兩條金屬軌，看得再仔細一點的會看到枕木，更少人看到的是固定路軌的扣件：路基、道砟、軌枕、扣件、路軌，就是一條軌道的構成部份。
路基是軌道結構的基礎，一來要承受列車經過時的荷載，二來要保障軌道平順和穩定，所以提供堅固的結構。一般建在平地上的路基，要經過平整和夯實，並要做足夠的措施防止沉降，以免路軌變形，至於建在橋樑或隧道之上的路基，一樣要保持有足夠的硬度和盡量減少沈降，這就牽涉到土木工程的範疇，例如要往土內打樁直持岩層。
路基上的碎石，業內稱之為道砟，是用來固定軌枕的，好處是容易架設，缺點是日久之後碎石會進一步粉化，影響到穩定性。另一方面，高速列車在破風時形成氣流，列車氣流會把石子濺起，或會對列車構成危險，因而需要建造沒有石子的「無砟軌道」。無砟軌道直接將承托路軌的軌枕鑲嵌在水坭底板上，整段軌道先在工廠內製成預製組件，然後到施工現場預像積木那樣直接砌在路基上，除了施工更方便，結構更經久耐用。
將路軌固定軌枕上的部件稱為扣件，扣件並不是簡簡單單的一粒螺絲加一個扣，而是有一整套的部件，目的就是將路軌死死釘在軌墊上，並要預留可供調較的空間，下圖是一個典型的扣件結構：
無砟軌道上的扣件系統
最後到路軌就更多學問了，在普通鐵路不時聽到「鐙鐙」的金屬碰撞聲，這些聲音源自列車經過兩段路軌之間縫接空隙而發出，原因是金屬會熱脹冷縮，所以兩段路軌之間要預留空隙供路軌膨脹之用，但這對於軌道穩定性要求極高的高鐵並不可行，所以就發明了「無縫路軌」，就是整條線路沒有留下空隙，路軌會在工廠接駁成極長的長度，到工地再用特殊工藝焊接，達至完全沒有縫隙，然後死死的釘在水坭底板上的扣件，所以高鐵是聽不到金屬碰撞聲的。
軌道的學問當然不止於此，其中最為人所知的是軌距(Gauge)，即是兩條路軌之間的距離，現時世界各國使用的鐵路軌距並不划一，軌距是鐵路軌道兩條鋼軌之間的距離，國際鐵路聯盟在1937年制定1,435毫米(mm)為標準軌距（4呎8吋半），又稱國際軌距，世界上大約60%的鐵路的軌距是標準軌，包括中國、西歐、北美、北非等。窄軌則包括日本、東南亞、中美洲、中非等。而闊軌則包括印度、前蘇聯加盟國、蒙古、西班牙、葡萄牙等。
世界各國的軌距
為了適應不同的軌距，於是研發可以在不同軌距之間行駛的火車。西班牙作為世界上第二長高鐵營運國家（比日本還要長），卻使用了與鄰國不同的軌距，法國採用標準軌距1,435毫米，葡萄牙採用1,665毫米，而西班牙本身卻是1,674毫米，所以西班牙是最早發展可變軌距技術列車，其軌距可在1,668mm和1,435mm切換。
日本自1994年起開始開發的可變換軌距的電聯車，讓列車可行駛於日本普遍使用的1,067mm窄軌軌道和1,435mm的新幹線軌道，目前仍在試驗階段。另外波蘭開發了可變軌系統，德國發明可變軌距火車輪對，但是由於設計複雜，造價不菲而仍未普及。
中國也有技術上的創新，2016年10月21日中國中車公佈，國家重點研發計劃先進軌道交通重點專項首批三個項目，在北京舉行啟動會。其中「時速400公里可變軌距高速列車」項目，能夠在600-1676毫米的不同軌距的鐵路上運營。
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