Ātrgaitas dzelzceļš ir dzelzceļa transporta veids, kas darbojas ar lielāku ātrumu nekā parastie vilcieni. Lielākā daļa ātrvilcienu ir pasažieru vilcieni, taču daži no šiem vilcieniem pārvadā arī kravas. Nav noteikts ātrums, kas apzīmē patiesu ātrvilcienu, lai gan lielākā daļa šo vilcienu ir ātrāki par 90 jūdzēm stundā (144 kilometriem stundā).
Kad tika izgudroti vilcieni, šīs lokomotīves valdīja transporta pasaulē. Gan cilvēku, gan priekšmetu pārvietošana no vienas pasaules daļas uz citu kļuva par vienīgo dzelzceļa jomu. Faktiski vilcieni bija vēlamais pārvietošanās veids visā pasaulē, līdz tika izgudrots automobilis.
Pirmais ātrgaitas dzelzceļš bija Itālijas ETR 200. Šis vilciens tika izgudrots 1939. gadā, un tas varēja sasniegt ātrumu līdz 102 jūdzēm stundā (165 kilometriem stundā). ETR kursēja no Milānas uz Florenci, un tas bija diezgan populārs līdz Otrā pasaules kara sākumam, kad visi vilcieni Itālijā pārtrauca kursēšanu.
1957. gadā Japāna sāka dominēt ātrgaitas dzelzceļu kategorijā ar Romancecar 3000 SSE, kas kursēja pa Odakju elektrisko dzelzceļu. Šis vilciens bija paredzēts, lai ietilptu šaurās telpās, braucot ar ātrumu līdz 90 jūdzēm stundā (145 kilometriem stundā). Romancecar 3000 SE pārvadāja pasažierus no Tokijas uz Osaku pārsteidzošā ātrumā.
Skaidrs, ka pirmie ātrvilcieni tika izstrādāti, domājot par pasažieriem. Mūsdienās dažās pasaules daļās ātrgaitas vilcieni joprojām tiek izmantoti kā galvenais transporta veids. Tas jo īpaši attiecas uz Franciju, kur ātrgaitas dzelzceļš katru dienu uz Parīzi atved tūkstošiem braucēju no mazākām pilsētām.
Vilcienu pārvadājumi Ziemeļamerikā nav tik populāri kā kādreiz, lai gan daži vilcieni joprojām savieno pilsētas ar lielākām pilsētām visā Ziemeļamerikā. Vilcieniem ir iespēja apstāties dažādās vietās, veicot ikdienas maršrutu. Tas lielā mērā atšķiras no citiem transporta veidiem, kas vienkārši kursē no viena punkta uz otru.
Ātrgaitas dzelzceļa vilcieni ir ievērojami drošāki nekā daudzi citi transporta veidi. Tā kā vilcienus ir viegli vadīt, vilcienu avārijas nav izplatītas. Turklāt vilcieni neparedz sadursmes risku ar citiem transportlīdzekļiem, ko nevar teikt par lielāko daļu citu pārvadājumu veidu.