Un réseau ferroviaire est un ensemble de lignes de chemin de fer, de gares et d'installations techniques diverses (atelier, dépôts, triages, embranchements particuliers, chantiers intermodaux...) qui permettent la circulation de convois ferroviaires ou trains dans un ensemble géographique donné, région, pays, continent. Par extension, une maquette ferroviaire est également désignée par le terme de réseau.
Un réseau ferroviaire se caractérise par un certain nombre de normes techniques et d'exploitation qui peuvent éventuellement poser des problèmes d'interopérabilité en cas de connexion entre réseaux. L'unification de ces normes est une entreprise de longue haleine car elle met en jeu des investissements très importants, dès lors qu'il s'agit d'harmoniser par exemple le gabarit où la charge à l'essieu, la signalisation ou l'alimentation électrique. Elle a été entreprise de longue date par l'Union internationale des chemins de fer (UIC) qui émet des fiches techniques de recommandation concernant tant le matériel roulant que les infrastructures. Cependant, en Europe, la constitution volontariste d'un marché ferroviaire unifié a poussé la Commission à promouvoir des normes d'interopérabilité plus poussées.
« Réseau » est souvent utilisé comme synonyme de compagnie de chemin de fer. Cela n'est plus vrai dans certains pays, principalement l'Union européenne, où on assiste à une dissociation entre les fonctions d'exploitation et de commercialisation des services confiées à des entreprises ferroviaires, et celles de gestion du réseau, confiées à des gestionnaires d'infrastructure ferroviaire. En France, ce gestionnaire, qui gère le réseau principal, s'appelle Réseau ferré de France (RFF).
On parle aussi de « réseau » pour certains chemins de fer qui se distinguent par certaines particularités tant techniques que fonctionnelles : réseau de métro, réseau de tramway.
Le terme de « réseau » a désigné aussi, en France avant guerre, les six grandes compagnies, Nord, Est, Alsace-Lorraine, PLM, PO-Midi, Ouest-État, qui ont été fusionnées en 1938 dans la SNCF. Ces réseaux ont subsisté dans l'organisation de la SNCF jusqu'en 1972, date de la création des 23 régions actuelles. l'unification des règles d'exploitation et de signalisation a demandé de nombreuses années.
L'expression « réseau express régional » (RER) a été adoptée en France lors de la réalisation, sous l'égide de la RATP au début, de lignes à gabarit standard traversant la ville de Paris en souterrain et reliant des lignes de banlieue diamétralement opposées.