Kalnu dzelzceļš brauc pāri kalnam, kura slīpums ir stāvs. Lai vilciens varētu braukt pa tik straujām nogāzēm, var izmantot daudzas dažādas kalnā kāpšanas metodes. Visbiežāk izmantotās metodes ietver statīvu dzelzceļu, trošu dzelzceļu un funikulieri.
Parasts dzelzceļš darbojas pēc saķeres principa. Berze starp riteņiem un sliedēm ir pietiekami liela, lai uz riteņiem piegādātā jauda izraisītu vilciena kustību. Berze pārstāj būt efektīva, sasniedzot vidēju slīpumu, un pilnībā pārstāj darboties uz stāvākām nogāzēm. Tā rezultātā kalnu dzelzceļi izmanto citus paņēmienus, lai šķērsotu vertikālās ainavas.
Statņu dzelzceļš novērš šo saķeres dilemmu, kalnu dzelzceļam pievienojot zobstieņa un zobrata iestatījumu. Šī ir lokomotīvju vadīta metode, atšķirībā no citām, kurā starp parastajām divām sliedēm ir uzstādīta trešā sliede, kuru vilciens var satvert ar zem tā uzstādītu zobratu vai zobratiem. Šo vidējo sliedi sauc par bagāžnieka sliedi, un tai ir zobi, kas paceļas vai nu no augšējās virsmas, vai no sāniem. Vilciena apakšpusē ir uzstādīti zobrati, kas nofiksējas ar bagāžnieka sliedi. Rezultāts ir vienkāršs kalnu dzelzceļš, kas neļauj vilcienam zaudēt saķeri, braucot gan augšup, gan lejup.
Trošu dzelzceļš ir kalnu dzelzceļš ar vilcienu, kas pa kabeli ir pievienots stacionāram dzinējam, kas atrodas paaugstinātā galamērķī. Bieži vien šie vilcieni nav pastāvīgi piestiprināti pie kabeļa. Kabeļus un automašīnas var pārslēgt no sliežu ceļa uz sliežu ceļu pēc vajadzības. Vilcienā netiek izmantots šādas konstrukcijas lokomotīves dzinējs. Trošu dzelzceļi visbiežāk tiek izmantoti darba vietās, piemēram, raktuvēs un karjeros.
Funikulieris ir līdzīgs trošu dzelzceļam. Tas izmanto arī kabeļu sistēmu, lai pārvietotu automašīnas augšup un lejup pa kalnu dzelzceļu. Atšķirībā no trošu dzelzceļa, funikuliera trose ir piestiprināta pie diviem vienāda svara vagoniem jeb tramvajiem. Kamēr viens virzās augšup pa nogāzi, otrs nokāpj, katrs līdzsvarojot otru un novēršot jebkāda veida krasas kustības. Rezultātā vilcienu pārvietošanai ir nepieciešams ļoti maz enerģijas, un vienkāršs ar elektrisko piedziņu darbināms skriemelis spēj pārvietot abus vagonus pa kalnu dzelzceļu.