铁路地下化，是交通运输立体化的方案之一，是指为了解决铁路线路分割市区带来交通瓶颈的问题，从改善交通和提高运能的角度出发，将原有铁路的市区段从地面改建于地下的工程，或者新建铁路线路时在市区段就直接建于地下的工程。此处的铁路大多是指服务于长途客流的国铁或通勤铁路，而不是城市轨道交通系统中的地铁或捷运。
工程举例
石家庄铁路入地工程
世界各大城市铁路的中央车站
台湾各大都会区的铁路地下化
优点
节省土地：由于一般大都市的市区地皮价值高昂，将铁路建于地底，可以节省地面空间，令地面地皮可以作其他用途。
减少地面噪音：铁路建于地底，可以减少地面的噪音。
缺点
建造成本较高：由于要钻挖地底，铁路建造工程的经费及站体设施的拓宽难度均大于地面铁路。
行驶速度限制：如果行车速度过快，加之隧道内通风不良，会因为活塞效应造成隧道内气压改变，可能导致隧道入口和隧道内噪音变大，以及乘客的耳朵产生不适，甚至损坏隧道内设施。
地下化工程
京石客运专线的石家庄市区段（石家庄地下直径线）
北京地下直径线
天津地下直径线
海南东环铁路美兰机场站
方案
除了“地下化”这一方案外，还有铁路高架化（如台湾铁路高架化）、改建平交道成立体高架桥或隧道（涵洞）或新建它以穿越铁路、修建铁路外环线、在市区外另设新的火车站，等一系列方案来解决铁路分隔市区的问题。