Челябинск — узловая станция на историческом пути Транссиба. Через Челябинск проходят поезда, идущие по четырём направлениям: на север и северо-запад (в Екатеринбург, Пурпе, Киров, Санкт-Петербург), на восток (в Новосибирск, Новокузнецк, Владивосток), на юг (в Астану, Магнитогорск) и на запад (в Самару, Москву, Харьков, Минск, Симферополь, Адлер, Волгоград).
Пригородное сообщение обслуживает 5 направлений: северо-западное (Шагол, Кыштым, Верхний Уфалей), северное (Муслюмово, Нижняя, Екатеринбург), восточное (Каясан, Щучье, Шумиха, Курган), южное (Еманжелинск, Южноуральск, Троицк, Карталы), западное (Полетаево, Кисегач, Миасс, Сыростан, Златоуст, Бердяуш, Кропачёво). Осуществляется электропоездами, лишь северо-западное — дизельными поездами и рельсовыми автобусами. Наибольшая интенсивность движения — на западном направлении: до 15 пар пригородных поездов.
Центром железнодорожных перевозок Челябинска является главный железнодорожный вокзал города — станция Челябинск-Главный (обычно употребляют одно слово «Челябинск»). В 2005 году была завершена капитальная реконструкция основного здания вокзала, в 2007 году закончено строительство нового пригородного вокзала. Кроме того, в пределах города находится несколько пассажирских станций (Баландино, Межозёрная, Синеглазово, Смолино, Челябинск-Южный, Чурилово, Шагол, Шершни) и платформ (Локомотивная-I, Локомотивная-II, Подстанция, Сосновка) для поездов пригородного сообщения, а также грузовые станции крупных промышленных предприятий: Асфальтная, Кирзавод (Кирпичный завод), Металлургическая, Ново-Металлургическая, Тракторострой (ЧТЗ), Электростанция (ЧГРЭС) и другие.
В Челябинске находится Управление Южно-Уральской железной дороги, проходящей по территории Курганской, Кустанайской, Омской, Оренбургской, Саратовской, Северо-Казахстанской, Челябинской областей и республики Башкортостан.
С мая по сентябрь функционирует (в первую очередь, как аттракцион) узкоколейная детская железная дорога протяженностью 5,7 км, проходящая по территории Шершнёвского (Городского) бора и парка имени Гагарина. Содержит 5 станций. Открытая в 1949 году, за время работы перевезла свыше 5 млн пассажиров.
