Les chemins de fer sont nés des recherches faites pour assurer aux véhicules remorqués une direction déterminée et une faible résistance au roulement. Le rail en bois est utilisé dès 1670 en Angleterre, dans la région de Newcastle ; il est plaqué de fer à partir du milieu du xviiie s., en même temps qu'on met au point le cerclage des roues. Ces procédés permettent de faire tirer au cheval, seule force de traction alors utilisée, un poids plus que doublé par rapport au passé. Mais, tels qu'ils sont conçus aujourd'hui, les chemins de fer sont nés de l'invention de la locomotive. En ce qui concerne le rail en métal, on peut en retrouver l'origine vers 1776, date à laquelle existait, près de Sheffield, une voie ferrée, constituée par des « rails-cornières » qui guidaient simplement des roues sans bandages.
Le premier chemin de fer public, dont les voitures sont tirées par des chevaux, est mis en service en 1804 entre Wandsworth et Croydon (16 km environ). Mais, déjà en 1802, le premier brevet pour machine à vapeur est pris par deux constructeurs anglais, Vivian et Trevithick. Vers 1806, le premier de ceux-ci, en remplaçant pour le guidage des roues les cornières par des barres saillantes sur lesquelles roulent des poulies à gorge, puis en laissant subsister le simple bourrelet intérieur à cette dernière, donne à la voie ferrée sa véritable origine.
Le développement de la voie ferrée est lié à celui de la locomotive. Le premier essai de voiture à vapeur routière date de 1770 et est dû à l'ingénieur français Joseph Cugnot. La locomotive de Vivian et Trevithick s'inspire des modèles d'un Américain, Oliver Evans, dont la machine à vapeur roulant sur rails n'a rencontré que de l'incrédulité (1804). Les essais de Blenkinsop (1811), de Brunton (1813) ne conduisent à aucune solution satisfaisante ; et l'Anglais Blackett est le premier à prouver l'adhérence suffisante des roues de locomotive sur des rails lisses.
En 1827, un progrès considérable est réalisé par l'invention de l'ingénieur français Marc Seguin ; sa chaudière tubulaire, à laquelle George Stephenson, fils d'un ouvrier mineur anglais, saura donner le tirage nécessaire pour la bonne marche du foyer par entraînement des gaz en injectant la vapeur d'échappement dans la cheminée, marque l'origine même de la locomotive à vapeur moderne ; celle-ci n'a cessé de se perfectionner. La Fusée de Stephenson, qui reçoit en 1829 le prix du concours de Rainhill, remorque 12 942 kg à la vitesse de près de 24 km/h. Elle peut être considérée comme l'ancêtre de toutes les locomotives à vapeur, dont elle comporte tous les organes essentiels.
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