九鐵於2002年6月25日獲得沙中線專營權的同時，政府亦開始研究將地下鐵路有限公司及九廣鐵路公司合併為一間鐵路公司的可行性。政府將這項研究訂為首要工作，並考慮運輸策略目標，對香港長遠鐵路發展利益，以及相關立法與經濟影響等。
政府於2004年2月24日邀請地鐵及九鐵就擬議合併一事開始進行商討，並須在8月31日前完成商議。政府會研究G考慮商討結果，然後才決定是否合併兩鐵。兩鐵商討的範疇包括：
1.採用一個更客觀及透明度更高的票價調整機制；
2.取消轉乘車費，並以減低票價為目標，檢討收費結構；
3.儘早解決目前正在規劃中的鐵路項目（特別是沙中線）之轉車安排；
4.精簡公司管理架構，完善整個鐵路系統管理，及提升公司整體企業管理，並確保合併時不會裁減兩鐵前線員工；
5.長遠而言提供整合而方便的轉車安排。
由於政府要求地鐵及九鐵在商討兩鐵合併時，須包括區域快線香港段如何配合香港整體鐵路網絡，以及對兩鐵合併後將來業務的影響；地鐵及九鐵要求將完成合並商討期限，由原訂8月31日延至9月16日，政府亦同意延長期限。兩鐵最終於9月16日順利完成商討，向政府提交「兩鐵合併聯合報告」。
時任行政長官曾蔭權於2006年4月11日宣佈，行政會議已經通過兩鐵合併方案，政府已據此基礎與地鐵公司簽訂了一份不具約束力的諒解備忘錄。《兩鐵合併條例草案》繼而在2007年6月獲立法會通過，明確賦權九廣鐵路公司將「服務經營權」授予地下鐵路有限公司，並擴大了地鐵公司的專營權，以接管九鐵公司交通服務的營運，專營期重新訂為由兩鐵合併日起計50年。
政府、地鐵及九鐵於8月訂立正式交易文件，九鐵公司即時獲取42億5千萬元；在服務經營權50年期限內，合併後的公司需要每年支付九鐵公司定額7億5千萬元固定費用，以及根據經營九鐵服務帶來的各種收入的每年非固定費用；另外，地鐵亦會支付77億9千萬元作為收購地產及其他有關商業利益。地鐵公司隨後啟動《上市條例》所規定必須進行的工作，並依據既定程序於10月9日召開特別股東大會，與會股東以大比數82.29%通過兩鐵合併建議，支持合併地鐵與九廣鐵路業務。
政府隨即於10月18日宣佈地鐵及九廣鐵路營運網絡於12月2日正式合併，地鐵公司將其中文名稱更改為「香港鐵路有限公司」，但保留英文名稱，並接管合併後的九鐵及地鐵鐵路網絡的營運，標誌著本港鐵路運輸服務邁進新紀元。
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