В первые железная дорога прошла по территории современного Казахстана в 1893–1894 годах. Это была узкоколейная (1000 мм) железнодорожная линия Покровская Слобода — Уральск протяженностью 369 км, из которых 113 км пролегли в Казахстане. Кроме того, 190 км Транссиба также прошли по территории Казахстана в районе города Петропавловск.
Годом основания железнодорожного транспорта в Казахстане считается 1904 год, когда началось строительство Оренбург-Ташкентской железной дороги протяженностью 1668 км. Эта магистраль была введена в эксплуатацию в 1905–1906 годах, соединив европейскую Россию со Средней Азией. Вдоль железнодорожной линии выросли города и промышленные центры: Актюбинск, Новоказалинск, Туркестан, Кызыл-Орда, Аральск и другие.
В 1914–1924 годах сооружена Семиреченская дорога Арысь-Пишпек — часть будущего Турксиба, в 1915 году — магистраль Челябинск — Троицк — Кустанай. По казахстанской земле пролегли 122 км построенной в 1915–1917 годах Алтайской железной дороги (Новосибирск — Семипалатинск). Кроме этого, на северо-востоке Казахстана до 1918 года функционировала 117-километровая Воскресенская дорога нормальной ширины ЭкибастузВоскресенская пристань (Ермак, ныне Аксу), а в центральном Казахстане 40-километровая узкоколейная дорога Караганд — Спасский завод и 120-километровая Байконурские угольные копи — Карсакпай.
В настоящее время Казахстан обладает разветвленной сетью железных дорог. Протяженность эксплуатационной длины составляет 16 тыс. км (по данным 2023 года). Развернутая длина главных путей — 21 тыс. км.
После обретением Казахстаном независимости страна начала налаживать международное сотрудничество. Так, в 1991 году был открыт первый казахстано-китайский железнодорожный переход на станции Достык.
В 2000-х годах в Казахстане велись работы по улучшению железнодорожной связности страны, так как после распада СССР, часть путей пролегала на территории других государств, в частности через Россию. В итоге было построено несколько линий. Первая, 184 километровая линия, открылась Аксу — Конечная (Дегелен) в июне 2001 года. В октябре 2003 года ввели Хромтау — Алтынсарино длинной 402,5 км, соединивший север Казахстана с его западом, было построено 13 станций и разъездов, 11 мостов, 151 водопропускных труб (ранее поездам приходилось идти через российские станции Карталы и Орск, дважды пересекая границу). Третий, 153 километровый, участок был запущен 9 октября 2008 года, он соединил Усть-Каменогорск со станцией Шар, что избавило от необходимости дважды пересекать российскую границу, было построено 13 мостов, 4 путепровода, 5 скотопрогонов и уложили свыше 95 водопропускных труб. Также имелись планы построить прямой путь Актобе — Уральск, чтобы исключить двойное пересечение международной границы в Оренбургской области.