La gare de Toulouse-Matabiau est la principale gare ferroviaire pour voyageurs de l'agglomération toulousaine et de la région Midi-Pyrénées. Elle est l'élément central du réseau ferroviaire de Toulouse. Elle fait l'objet d'une inscription au titre des monuments historiques depuis le 28 décembre 1984.
La gare, connectée par un réseau de passages souterrains à la station de métro Marengo – SNCF toute proche ainsi qu'à de nombreuses lignes de bus, constitue un important pôle d'échanges pour l'agglomération toulousaine.
Au sein du réseau ferroviaire
Toulouse-Matabiau est au centre d'une « étoile » ferroviaire à six branches constituées par les lignes suivantes (dans le sens des aiguilles d'une montre en partant du nord) :
de Toulouse à Montauban (vers Montauban, Agen et Bordeaux, puis Paris), ligne à double voie électrifiée en 1500 V continu ;
de Toulouse à Saint-Sulpice (voie unique la plus chargée d'Europe) (vers Albi-Ville puis Rodez, ou Villefranche-de-Rouergue puis Capdenac, ou Castres puis Mazamet), ligne à voie unique, non électrifiée. A noter que la portion de voie reliant Toulouse à St Sulpice est en projet de doublement ;
de Toulouse à Narbonne (vers Perpignan ou Marseille puis Lyon ou Nice et l'Italie), ligne à double voie électrifiée en 1 500 V ;
de Toulouse à Foix (vers Latour-de-Carol et l'Espagne), ligne à voie unique électrifiée en 1 500 V ;
de Toulouse à Tarbes (vers Lourdes, Pau, Bayonne et l'Espagne), ligne à double voie électrifiée en 1 500 V ;
de Toulouse à Colomiers (vers Auch), ligne en voie unique partiellement doublée dans l'agglomération toulousaine, non électrifiée.
Elle s'inscrit également dans un complexe ferroviaire comportant :
immédiatement au nord, le chantier de Toulouse-Raynal, ancien triage reconverti en remisage de voitures et atelier de maintenance ;
jouxtant la gare du côté est, le dépôt de Toulouse-Périole ;
à une quinzaine de kilomètres au nord, le triage de Saint-Jory.
Matabiau – Gare-SNCF est le terminus nord de la ligne D du réseau de transports en commun toulousain. Cette liaison TER cadencée vers Muret a été mise en place en 2004. À l'instar de la ligne C vers Colomiers, elle devrait être intégrée à la tarification Tisséo, mais ce n'est pas encore le cas.