Kitakyushu è un importante nodo ferroviario all'estremità settentrionale del Kyushu, situato tra Fukuoka, lo stretto di Kanmon e l'Honshu occidentale. La città ha diverse stazioni passeggeri, con la stazione di Kokura che funge da principale stazione ferroviaria per i collegamenti a lunga percorrenza. JR West gestisce lo Sanyo Shinkansen a Kokura, mentre JR Kyushu opera treni intercity e regionali convenzionali in tutto il Kyushu settentrionale.
I servizi da Kitakyushu includono treni Shinkansen ad alta velocità sul corridoio Sanyo, treni limited express JR Kyushu come Sonic verso la costa orientale del Kyushu e servizi regionali sulla linea principale Kagoshima, sulla linea principale Nippo e sulle linee verso Wakamatsu e Moji. La stazione di Kokura è il punto principale per i biglietti del treno e le partenze a lunga percorrenza, mentre Mojiko, Kurosaki, Orio e Tobata gestiscono importanti flussi regionali.
Le tratte ferroviarie da Kitakyushu si dirigono a ovest verso Hakata e Fukuoka, a est e sud verso Oita, Beppu e Miyazaki, a nord-est attraverso l'area di Kanmon verso Shimonoseki e lungo lo Sanyo Shinkansen verso Hiroshima, Shin-Osaka e Tokyo. Prenota online i treni da e per Kitakyushu su Rail Monsters.