北京最早的鐵路是京漢鐵路和北寧鐵路。京漢鐵路又稱平漢鐵路（原為盧漢鐵路），1898年年底，比利時在英、法、俄三國的支持下修建，南北兩端同時開工，南端從漢口玉帶門，北端從北京西便門至正陽門
（前門）西車站。1906年4月1日全線竣工通車，清廷派張之洞與直隸總督袁世凱共同驗收，並改稱京漢鐵路。該鐵路線經保定、石家莊、邢台、安陽，過黃河、經鄭縣、信陽，經過大別山的武勝關至湖北的漢口止，全長 1200公裏，縱貫河北、河南、湖北三省，為中部南北交通的唯一大幹線。
北寧鐵路（原名為京奉鐵路）是 1911年由英國承建的，由北京可直達奉天（沈陽）。火車站設在正陽門（前門）東站，1928年北伐成功，國民革命軍進入北京，改北京為北平，京奉鐵路改平奉鐵路，當年平奉鐵路更名北寧鐵路。北寧鐵路起北京經天津、塘沽、唐山、灤縣、山海關至沈陽，全長656.25公裏，橫貫河北、遼寧，為通往東北的要道。為了方便人們到北戴河海濱避暑旅遊。1917年，開辟了（北戴河火車站至海濱火車站）中國第一條旅遊專用鐵路支線。這條旅遊支線設有往返北京、天津的夜車，每年 5至10月運營，春節加開專車；每天往返 4趟車，以接應津榆鐵路幹線列車下車的遊客。其間，各火車大站銷售遊覽票。1934年，北京鐵路局決定這條支線與幹線列車銜接，改為常年通車。
1909年，我國自己設計、施工建成了第一條鐵路京張鐵路。當時居庸關至八達嶺之間有四個隧道，工程極為艱巨複雜。外國人嘲笑我們靠自己的力量不可能修成這條鐵路。但是，在總工程師兼督辦詹天佑的領導下，工程技術人員克服困難，出色完成了施工任務。這條鐵路於1923年又延長到包頭，改稱平綏鐵路。根據 1930年版《本國地理》教科書記載，當時平綏鐵路，起北京的豐台火車站，經居庸關、宣化、張北、大同、豐鎮至綏遠，全長 526.25公裏，縱貫河北、察哈爾、山西、綏遠四省，為通西北的唯一要道。1916年又建成北京城環線，經西直門、德勝門、安定門、東直門、朝陽門至東便門設 6個火車站，全長 15公裏。當時建成的還有平浦鐵路：起北京，經天津、滄縣、德縣、曆城、滋陽、銅山、蚌埠至浦口，由天津至浦口長 786公裏，北段由天津至韓莊，全長 490公裏，縱貫直、魯、蘇、皖四省，為東部南北交通的要道。隴海鐵路觀音堂以西，平綏鐵路由包頭至寧夏路段正在修築中，由滄縣經深縣槁城至石家莊，橫貫河北省中部，聯絡平漢、平浦總長162.5公裏的滄石鐵路的路基已完成。為了方便短途客運，以上各鐵路線分別設有支路。
新中國成立前的鐵路各搞一套標準和規章製度，鐵路不管長短，分線設局，各局之間調度不統一，客車列車不直通，各行其是，效率極低。新中國成立後，我國鐵路運輸事業蓬勃發展。目前北京已成為全國鐵路樞紐，北京站鐵路線主要有京滬線、京哈線、京秦線等；北京西站主要有京廣線、隴海線、京九線等；南站多是些動車；北站即西直門火車站，有郊遊車和到內蒙古、河北等地的短途車等。