大仙は秋田県内陸部の鉄道の要所で、市の主要駅であり乗換駅である大曲駅を擁しています。JR東日本は、秋田新幹線、奥羽本線の地域列車、そして田沢湖線の運行でこの市を支えています。これにより大仙は、秋田、東北新幹線沿線、そして秋田南部の内陸地域を結ぶ便利な接続拠点となっています。
大仙発の列車には、秋田新幹線のこまち、奥羽本線を南北に走るJR東日本の地域列車、そして田沢湖線の各ローカル列車があります。大曲駅は長距離鉄道チケットの主要駅であり、刈和野や神宮寺など市内の他の停車駅は主に秋田県内の地域移動を支えています。
大仙からの鉄道路線は、南へは横手・湯沢方面、北へは秋田方面、東へは角館・田沢湖・盛岡・東北新幹線方面へ伸び、さらに秋田新幹線を利用して東京へもつながっています。大仙発着の列車はRail Monstersでオンライン予約できます。