1854 verkehrte die erste Dampfeisenbahn zwischen der Innenstadt und dem Hafen Melbournes. Zahlreiche private Gesellschaften betrieben in der Folgezeit die Eisenbahnlinien des Landes. Dies führte dazu, dass zum Zeitpunkt der Föderationsbildung (1901), drei voneinander abweichende Spurweiten vorlagen, was zu großen Problemen führte. Erst seit ca. 1970 ist die Durchfahrt von Sydney nach Perth ohne systembedingtes Umsteigen möglich. Teilweise wird hier – und nur hier – mit Dreischienennetz gefahren. Außer einigen nostalgischen Touristenstrecken sind heute keine Dampflokomotiven im Einsatz.
Das staatliche Eisenbahnnetz beträgt ca. 34.000 km, das private Schienennetz (vor allem Eisenerztransport in der Pilbara-Region, Kohle und Zuckerrohrzüge in Queensland) beläuft sich auf ca. 5500 km.
Verglichen mit dem Straßenverkehr, spielt der Personen- und Gütertransport auf den Schienen inzwischen eine untergeordnete Rolle. Es gibt dennoch Neubauprojekte, so beispielsweise die kürzlich fertig gestellte Eisenbahnlinie von Alice Springs nach Darwin, bekannt unter dem Namen The Ghan. Die Transaustralische Eisenbahn von Sydney nach Perth ist für den Fracht- und den Fremdenverkehr von Bedeutung. Australien plant zudem den Einsatz von Hochgeschwindigkeitszügen.
In den Ballungsräumen Brisbane, Melbourne, Perth und Sydney, in denen die Hälfte der Bevölkerung lebt, existieren gut ausgebaute S-Bahn-Netze. Das Straßenbahnnetz in Melbourne gehört zu den längsten der Welt.