Ātrgaitas dzelzceļu sistēmas ir vilcieni, kas darbojas ar ievērojami lielāku ātrumu nekā parastie vilcieni, lai gan precīza ātruma definīcija ekspertiem un aģentūrām atšķiras. Daudzās pilsētu teritorijās ātrgaitas dzelzceļi piedāvā pasažieriem ātru un efektīvu alternatīvu citiem sabiedriskā transporta veidiem. Lai gan ātrgaitas dzelzceļš ir ārkārtīgi populārs Eiropā un Āzijas daļās, lielākajā daļā ASV tas manāmi nepastāv, jo pārsvarā tiek dota priekšroka personīgajiem pārvadājumiem, izmantojot automašīnas.
Pārvaldes un autoritatīvās iestādes piedāvā dažādas definīcijas tam, kas ir ātrgaitas dzelzceļu sistēma. Eiropas Savienības dzelzceļa iestādes ierobežo šo termiņu vilcieniem, kas regulāri brauc ar ātrumu virs 125 jūdzēm stundā (200 kilometriem stundā), lai gan ierobežojums ir lielāks vilcieniem, kas būvēti uz jaunākām sliedēm. Amerikas Savienotajās Valstīs ātrgaitas vilcieniem jābrauc virs 90 jūdzes stundā (145 km/h), lai tos klasificētu kā ātrgaitas vilcienus.
Ātrgaitas dzelzceļš tika izstrādāts divdesmitā gadsimta vidū, iegūstot ievērojamu popularitāti pēc Otrā pasaules kara beigām. Japāna bija viena no pirmajām valstīm, kas iekļāva ātrgaitas dzelzceļus savā sabiedriskā transporta sistēmā. Shinkansen jeb ložu vilciens tika atvērts 1964. gadā kā pakalpojums starp Tokijas un Osakas metropoles rajoniem. Kopš tā laika dzelzceļš ir bijis ātras, drošas un efektīvas ceļošanas paraugs, kas stiepjas visā valsts lielākajā daļā.
Tāpat kā ar jebkuru uz ātrumu balstītu tehnoloģiju, ir dabiski, ka eksperimenti nepārtraukti pārbauda, cik ātri vilcieni var pārvietoties. Izmantojot jaunākās tehnoloģijas, Japāna pašlaik pretendē uz pasaules ātruma rekordu ar 361 mph (581 km/h). Vilciens, kas sasniedza šo ātrumu, MLX01, galvenokārt kursē, izmantojot magnētiskās levitācijas tehnoloģiju. Šī jaunākā vilcienu pārvietošanas metode, ko bieži sauc par maglev, izmanto magnētus, lai vilktu vilcienu līdzi apžilbinošā ātrumā, pateicoties samazinātai berzei. Lai gan pašlaik darbojas maz maglev vilcienu, Japāna droši plāno ieviest tehnoloģiju visā savā ātrgaitas dzelzceļu sistēmā līdz 2025. gadam.
Tā kā globālās sasilšanas dēļ pieaug bažas par vidi, ātrgaitas dzelzceļš ir ieguvis jaunu interesi 21. gadsimtā. Amerikas Savienotās Valstis, valsts, kas parasti ir izvairījusies no dzelzceļiem par labu arvien lielākām automaģistrālēm un jaunām automašīnu tehnoloģijām, ir sākusi plānot vairākas ātrgaitas sistēmas dažādos štatos. Pēc ļoti veiksmīgās Acela līnijas, kas savieno Ņujorku un Vašingtonu, piemēram, vēlētāji ir apstiprinājuši plānus un budžetus līdzīgām ātrgaitas dzelzceļa līnijām Kalifornijā. Teksasas un Čikāgas komisijas ir iesaistītas arī pētījumos par jaunu ātrgaitas līniju potenciālajiem ieguvumiem.