Hệ thống đường sắt đô thị hoạt động chung với hệ thống đường sắt quốc gia trong khu vực đô thị và vùng ngoại ô.. Chúng cũng sử dụng đầu máy, toa xe như của đường sắt quốc gia hoặc dùng động cơ điện. Thực chất là tận dụng cơ sở hạ tầng củ đường sắt quốc gia để thực hiện vận chuyển hành khách từ khu vực ngoại ô vào thành phố và ngược lại với năng lực vận chuyển lớn và nhanh.
Tuy nhiên để phù hợp với vận chuyển hành khách thành phố người ta cần cải tạo lại ke, nhà ga hành khách, hệ thống điều khiển. Nhiều trường hợp đoạn đường sắt này được điện khí hóa, tự động hóa. Tuy tận dụng được một số hạ tầng của hệ thống đường sắt quốc gia nhưng việc cải tạo và bổ sung cũng khá tốn kém nên loại hình vận tải này chỉ được áp dụng khi có lưu lượng hành khách lớn và ổn định.
Chiều dài tuyến dao động từ 40 – 50 km. Khoảng cách giữa các ga liên tiếp là khoảng 5km nhưng khi vào gần đơ thị thì khoảng cách này rút ngắn xuống khoảng 1km.
Thơng thường có 7 – 10 toa, tối thiểu là 135 chỗ. Hoạt động của đường sắt đô thị phụ thuộc vào số lượng và loại đường ray dùng chung. Một tuyến đường sắt như vậy có thể vận chuyển được 20.000 Hk/giờ/hướng. Nếu được ưu tiên hơn và có thêm đường sắt chuyên biệt, có thêm nhiều nhà ga, khoảng cách giữa hai ga khoảng 2km thì năng lực vận chuyển có thể lên tới 50.000HK/giờ/hướng. Tốc độ lữ hành đạt 45 – 55km/h.
Chi phí đầu tư cho một hệ thống đường sắt đô thị mới trên mặt đất với các tuyến đường chuyên biệt, giao cắt khác mức tồn bộ thì chi phí cho đường đường ray, tín hiệu khoảng 6-10 triệu đơla/km, giá mua 1 toa tàu là 1 triệu đôla, cải tạo hệ thống hiện có khoảng 2-5 triệu đơla.
VD: Chi phí cải tạo một tuyến đường sắt ngoại ơ dài 25km, gồm 35 đoàn tàu mới (mỗi đoàn tàu gồm 6 toa) vào khoảng 250-300 triệu USD.
Hiện nay một số tuyến đường sắt ngoại ô với khối lượng vận chuyển lớn có thể bù đắp được chi phí khai thác kể cả khấu hao, điển hình là một số thành phố của Nhật Bản.