Demiryolu hattı, genellikle belirli bir başlangıç noktasından belirli bir varış noktasına kadar uzanan, bir ray sistemi üzerinde demiryolu araçlarının belirli bir güzergâhta seyahat etmelerini sağlayan yol ve rotadır. Demiryolu hattı, mümkün olduğu kadar düz bir rota arayışı ile geçtiği arazilerin koşullarına göre köprü, viyadük ve tüneller ile devamlılığını sağlar.Demiryolu hatları hizmet etme şekline göre; geçtiği arazi güzergahına göre; taşıdığı yolcu ve yük türüne göre; geçtiği güzergahın kapsadığı alana göre; hattın genişliği, sayısı, konumu, hareket prensibine göre ve bağlantı durumuna göre farklılaşmaktadır.

Erken demiryolu çalışmalarında demiryolu “"üzerinde çalışan araçların tekerleklerini raydan çıkmamaları için yönlendirmek üzere hazırlanmış ray sistemi" olarak tanımlanır. Demiryolu hattı yolcuların ve yüklerin trenlerle taşınması için kullanılan traverslere sabitlenmiş paralel metal raylardan oluşan kalıcı bir yol iken raylar bu hattın temel altyapısıdır ve lokomotif ile vagonların hareketini yönlendirir. Ray yatağı, demiryolu rayının altına yerleştirilen ve rayların sabitlenmesini sağlayan yapıdır. Genellikle taş, beton veya ahşap bloklardan oluşur. Ray yatağı, rayın altında düzgün bir yüzey sağlar ve rayın üzerindeki yükü dağıtarak rayın stabilitesini artırır.Günümüzdeki demiryolu sistemine benzer şekilde ray kullanımının kökenini Antik Yunan’a kadar giderken başlangıçta mermer taşlardan yapılan raylar daha sonra tahta raylara dönüşmüş, dayanım gücü yüksek raylara olan ihtiyacın doğmasıyla ve demir çelik endüstrisinde gelişmeye paralel olarak ahşap raylar yerini demir raylara bırakmıştır. Lokomotifler kullanılmaya başlanmadan önce demiryolları nadiren büyük inşa çalışmalarına ihtiyaç duymuş, genellikle yer yüzeyinde büyük kazı çalışmalarına ve istinat duvarlarına ihtiyaç duymadan inşa edilmişlerdir. Lokomotifler kullanılmaya başlandığında ise daha önce ulaşımda görülmeyen ağırlıklara ulaşılmış ve bu ağırlıklara dayanabilecek ray ihtiyacı doğmuştur. 1835 yılında modern demiryolu çağının da başlangıcı olarak kabul edilen Liverpool-Manchester Demiryolu yapımında şirket ray yapımında da bir standart belirlemiştir. Sağlamlığının yanı sıra raylarda değiştirilen diğer bir unsur lokomotif öncesine göre rayların genişliği olmuştur. Lokomotif kullanımıyla birlikte ortaya çıkan ilk demiryolu hatlarındaki standart genişlik olarak 1.435 mm birçok ülke tarafından benimsenerek yirminci yüzyılın başlarında "uluslararası standart" olarak kabul edilmiştir. Standard hat açıklığından fazla olan hatlara geniş hat, az olan hatlara ise dar hat veya dekovil ismi verilmiştir.

Ulaşım sistemi olarak demiryolu hattının genel tanımına ait kabul gören görüş buharlı lokomotifin kullanımıyla birlikte Endüstri Devrimi sonucu ortaya çıkıp geliştiği yönündedir. Richard Trevithick'in 1802'deki erken denemelerinden, Stockton-Darlington demiryolu hattının 1825'te açılmasına kadar geçen 25 yıldan daha az bir süre içinde demiryolu hatları, ilkel örneklerden tam donanımlı bir ulaşım sistemi haline gelmiştir. Ardından, sadece 20 yıl içinde demiryolu, Avrupa ve Kuzey Amerika'da yeni bir ulaşım sistemi olarak yayılmıştır.