在鐵路發展的初期，鐵路軌道經過了多次變化。
在規模鐵路形成之前，鐵路和鐵的關係並不大，軌道以木軌為主，而且標準並不高，養護維修都很麻煩。而且鐵軌直接鋪在平地上，一到下雨或者下雪的季節鐵路立刻就變得泥濘不堪，而列車的安全也就隨著無法保證。
為了不讓巨資修建的鐵路重新成為馬車道，道砟應運而生。道砟就是墊在枕木底下的碎石塊，這可不是普通的碎石塊。它們使用優質花崗岩經過破碎而形成。往往有幾米高。作用是吸收列車行駛過程中的衝擊，防止軌道產生相對移位。同時可以通過維護人員不斷填充新的道砟抵消地面下沉的影響，在我國的某條鐵路線上道砟最厚的地方有十幾米厚，相當於四層樓的高度。
鋪在道砟上的木質的鐵軌，由於沒有泥土的保護，特別容易被損壞。於是人們為鐵路換上了鐵軌，而且所用鐵的品質越來越好，重量也越來越大，鐵路也終於成為了今天的鐵路。在當時的世界上，鐵絕對是一種稀缺的資源，但事實證明，把這麼多的鐵用在鐵路上是值得的。伴隨著鐵軌重量增加，是鐵路貨運量的急劇上升，和鐵路運輸平穩性的提高。
僅僅是運的快運的多還不行，鐵路要想改變人類文明的歷史，還必須擁有更快的速度。在當時的情況下，雖然解決了鍋爐爆炸的問題。但把鐵路運輸速度提高，必然帶來出軌和軌道移位的風險。
如果以年為單位，出軌是經常發生的一種鐵路事故。即使在現在，出軌事故仍然不能完全杜絕。但像1981年印度比哈爾脫軌事故這樣傷亡800人的事故已很少發生（針對中國等鐵路強國而言，針對印度而言還是常態，印度每年死於火車事故人數超過15000人）。大部分脫軌發生在貨運列車上，即使發生，也只是造成列車停運的後果。而早期的火車，一旦發生脫軌，則往往車毀人亡，這是由於二者車輪的構造不同造成的。
牛頓力學告訴我們物體在旋轉時，會產生一個向心力。而火車這樣的龐然大物，必然會產生更大的向心力。為了平衡這樣一種向心力，外側的軌道必須稍微墊高一些。顯然，我們不能保證每一時刻列車的向心力都能被墊高的軌道抵消。最理想的情況，應當是列車會根據軌道的狀況，自動的改變車體的傾角，以維持平衡。儘管聽上去很複雜，但工程師們想出了簡單的解決方法。
1789年，英國工程師威廉.傑瑟普發明了帶凸緣輪，在軌道維護正常的情況下，車輪內側的凸緣和軌道接觸的位置會發生改變，這種措施有效防止了車輛脫軌。此外，工程師們還通過轉向架來幫助火車轉彎，同時藉助轉彎時列車車身的傾斜和內側車輪以及外側車輪不同的轉彎半徑實現火車轉彎。
正是在實踐中的各種發明創新，火車終於同時具備了載重量大、運價低廉、安全可靠和運輸平穩的特點，獲得了第二水運的美稱。靠著這一工具，文明終於開始向各個大陸深處蔓延擴張。
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