Madrid es el principal nudo ferroviario de España, situado en el punto de encuentro de los principales corredores de alta velocidad del país. La ciudad cuenta con varias estaciones importantes de pasajeros, encabezadas por Madrid Puerta de Atocha - Almudena Grandes y Madrid Chamartin - Clara Campoamor. Renfe, Iryo y Ouigo Espana operan trenes de larga distancia desde Madrid, lo que convierte a la capital en el principal intercambiador para los viajes ferroviarios nacionales.
Los servicios de tren en Madrid incluyen trenes AVE, Avlo, Alvia, Avant y Media Distancia operados por Renfe, además de servicios de alta velocidad competidores de Iryo y Ouigo Espana en corredores seleccionados. Atocha gestiona numerosos servicios de alta velocidad hacia el sur, el este y el Mediterráneo, mientras que Chamartin es importante para el norte de España, Galicia, Asturias y determinadas rutas de alta velocidad. Renfe Cercanias también conecta las estaciones de Madrid con Aeropuerto T4.
Las rutas ferroviarias desde Madrid se dirigen al noreste hacia Zaragoza y Barcelona, al este hacia Valencia y Alicante, al sur hacia Cordoba, Sevilla, Malaga y Granada, y al norte hacia Valladolid, Leon, Oviedo, Santander y Bilbao. Los trenes a Madrid también conectan con ciudades regionales de Castilla y del centro de España. Reserve trenes desde y hacia Madrid en línea en Rail Monsters.