南陽は山形新幹線の沿線で山形県南部に位置し、東京圏や内陸部の東北地方の主要停車駅へ直接鉄道アクセスがあります。市内の主要な長距離鉄道駅は赤湯駅で、JR東日本と山形鉄道が乗り入れています。赤湯は、南陽および周辺の置賜エリアに関連する列車チケットの主要な駅です。
JR東日本は、山形新幹線つばさ号と在来線の奥羽本線列車を赤湯駅まで運行しています。山形鉄道は、赤湯から置賜地域西部の地域コミュニティに向かってフラワー長井線を運行しています。南陽には空港直結の鉄道サービスがないため、鉄道利用者は通常、空港アクセスのために山形やその他の地域交通拠点で乗り継ぎます。
南陽からの鉄道路線は、南へ米沢、福島、郡山、東京方面へ、北へ上山温泉、山形、新庄方面へ、そして西へフラワー長井線で宮内、長井、荒砥方面へ向かいます。南陽発着の列車はRail Monstersでオンライン予約できます。