С первых лет развития железных дорог глубокие исследования русских ученых служили основой для решения сложнейших проблем железнодорожной техники, имевших мировое значение.
Впервые в мире русский инженер Д. И. Журавский (1821—1891) разработал теорию раскосных ферм в мостостроении. Свои теоретические исследования он талантливо применил на практике при проектировании всех мостов Петербургско-Московской железной дороги и, в частности, при постройке Веребьинского моста протяжением 550 м, который был выдающимся мировым сооружением того времени.
Русский профессор Н. А. Белелюбский (1845—1922) ввел ряд важных технических новшеств в мостовом деле; им лично и под его руководством спроектировано свыше 50 крупных мостов, в частности через Волгу, около Сызрани, с 13 пролетами по 111 метров. Этот мост долгое время оставался самым большим не только в России, но и в Европе.
Мировую известность получили созданная профессором Н. П. Петровым (1836—1920) гидродинамическая теория трения и произведенные им расчеты прочности рельсов и устойчивости железнодорожных путей; им был составлен первый курс для высших учебных заведений: «Сопротивление поезда на железной дороге».
Необходимо отмегить, что при всей неравномерности развития отечественного транспорта до революции и препонах, чинившихся его развитию и совершенствованию, многие русские ученые достигли блестящих результатов в своих исследованиях, обеспечивших приоритет нашей стране во многих областях транспортной науки и техники. Блестящими достижениями русской научно-технической мысли и практики явились и такие транспортные сооружения, как железная дорога Петербург — Москва, Великий Сибирский путь и ряд транспортногидротехнических сооружений.
Однако в целом железнодорожный транспорт дореволюционной России был весьма слабо развит. В 1913 году эксплоатационная протяженность железных дорог России достигала 70 тыс. км, что в среднем составляло 3.2 км на 1000 кв. км территории. Относительно густой железнодорожная сеть была только вокруг Москвы и Петербурга, у западных границ и в Донбассе.
Северные и юго-восточные районы страны почти не имели железных дорог. В частности, к крупному Архангельскому порту шла узкоколейная железная дорога, перестроенная на широкую колею лишь в период первой мировой войны.
К Волге с запада подходило десять железнодорожных линий, а с Востока — лишь четыре. На Волге, между Казанью и Астраханью, было только два железнодорожных моста. Восточные районы страны имели всего лишь 0.5 км железных дорог на 1000 кв. км территории.
В перевозках на некоторых дорогах довольно часто возникали серьезные перебои. В частности, недостаточная пропускная способность железных дорог Донбасса вызывала большой недовывоз угля. По той же причине в районе Сызрань — Батраки оседали большие запасы хлеба.
Техническое состояние железных дорог старой России было весьма неприглядным. На большей части железных дорог были приняты легкие типы рельсов с удельным весом 30—33.5 кг на погонный метр, при числе шпал не более 1400 на 1 км пути. Тяжелые типы балласта (щебень, гравий) почти не применялись; в основном в качестве балласта употреблялся песок. Слабое верхнее строение железнодорожного полотна допускало движение только маломощных паровозов, неполновесных поездов — в среднем 573 т, и небольшие участковые скорости движения, в среднем 13.6 км в час (данные 1913 г.). Ремонт подвижного состава и пути производился кустарными способами и приспособлениями.
В условиях отсталости техники железнодорожного транспорта и при несовершенстве способов его эксплоатации показатели использования подвижного состава были крайне низкими: в 1913 году среднесуточный пробег вагона составлял 72 км, а паровоза—119 км; среднесуточная погрузка составляла всего лишь 27.4 тыс. вагонов.
В результате первой мировой и гражданской войн, а также в результате интервенции транспорту нанесены серьезнейшие разрушения и повреждения. На железных дорогах было разрушено 4 тыс. мостов и переходов, 5 тыс. зданий, 400 водонапорных и водоподъемных башен. Половина паровозного парка и четверть вагонного парка оказались непригодными к работе. Погибла также значительная часть Черноморского флота и много речных судов на Волге, Каме, Днепре, Дону, Северной Двине. Много морских судов было угнано белогвардейцами при бегстве их с Юга России.
Войны, интервенция и разруха отбросили транспорт по объему перевозок на 30 лет назад, к уровню начала 90-х годов прошлого века, а по объему перевозок индустриальных грузов (металл, руда, каменный уголь) — на еще больший срок.