鉄道における直通運転とは、複数の路線や鉄道事業者にまたがって列車を運行する仕組みで、郊外と都心を結ぶ利便性向上や乗り換え解消、ターミナル駅の混雑緩和を目的としています。具体的な成功例として、2013年3月16日に開始された東急東横線と東京メトロ副都心線の直通運転が挙げられ、これにより横浜高速鉄道みなとみらい線や東武東上線、西武池袋線などが相互に結ばれ、川越市の観光客が過去最多の630万人を超え、横浜のみなとみらい線の利用者も前年比約9.4%増加するなどの経済効果を生み出しました。この直通運転を実現するには、軌間（レール幅）や電化方式、信号保安装置（ATC・ATS）などの設備規格を統一するか、車両側に複電圧対応や軌間可変機構などの特殊な装備が必要です。また運転業務では、境界駅で乗務員が交代する方式と、相手方路線まで車両ごと乗り入れて乗務員が通しで運行する方式があり、後者では過去に信楽高原鐵道列車衝突事故などの重大事故が起きたため、安全面の取り決めが重要視されています。日本では複数事業者が絡む場合、保有車両の組み合わせにより「相互乗り入れ」「片乗り入れ」「変則乗り入れ」などの形態に分類されますが、海外では地下鉄と郊外鉄道を一体運営する都市も多く、国際列車のように国境を越える事例も存在します。