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Une ligne de chemin de fer, ou encore une ligne ferroviaire est un chemin parcouru par des trains, ou ayant été parcouru par des trains dans le cas d'une ligne désaffectée. Par métonymie on appelle parfois voie ferrée une ligne de chemin de fer, surtout lorsque c'est une voie unique.
La ligne de chemin de fer est composée d'une ou de plusieurs voies ferrées, qui est (sont) posée(s) sur du ballast, mais aussi d'appareils de voies, éventuellement de caténaires destinées à alimenter les trains électriques, ou encore de passages à niveaux permettant à la ligne de croiser une route. Elle est également équipée d'éléments de sécurité ferroviaire destinés à assurer la sécurité des trains circulant sur la ligne, ainsi que de leurs passagers.
Une ligne de chemin de fer peut être affectée à trois types de trains : trains à grande vitesse (dans ce cas c'est une ligne à grande vitesse) ; trains de voyageurs, ou trains de marchandise (également appelés trains de fret).