Строительство железнодорожной инфраструктуры будущего космодрома велось силами инженерных железнодорожных войск. Первая ветка была проложена от станции Тюра-Там в северном направлении, к стартовой площадке № 1 — «Гагаринскому старту». Ракету-носитель, которая доставила первого человека в космос, транспортировали на стартовую площадку паровозом типа Эу — моделью, разработанной еще в 1909 году.
Поскольку ракеты становились все больше, мощности паровозов стало не хватать. Их заменили двухсекционные тепловозы ТЭ3, затем Луганский тепловозостроительный завод по заданию Байконура разработал специальную модель ПТЭ3: они могли автоматически держать скорость 10 км/ч и синхронно двигаться по параллельно проложенным путям. В начале 2000-х парк тепловозов обновили маневровыми ТЭМ2У и ТЭМ2УМ.
Железная дорога играет ключевую роль в транспортировке космических аппаратов. Для перевозки кораблей «Союз» и «Прогресс» используются специальные вагоны ВИ и ВО. ВИ — вагон изделия, где находится космический аппарат, а ВО — вагон обслуживания, поддерживающий заданный температурно-влажностный режим. Перевозки осуществляются литерными поездами — это значит, что они имеют наивысший приоритет и в пути должны останавливаться только для проверок и технического обслуживания. Однако на практике эти требования не всегда соблюдаются.
Сегодня протяженность железной дороги Байконура составляет более 500 км — это вторая по протяженности ведомственная железная дорога России. На ней находятся 22 станции, каждая из них обслуживает либо стартовую площадку, либо какой-то объект инфраструктуры. Дорога обслуживается предприятием «Космотранс» — филиалом АО «Центр эксплуатации наземной космической инфраструктуры». Оно же отвечает за перевозку космических аппаратов по магистралям общего пользования. По железной дороге на Байконуре перевозят космические аппараты и ракеты-носители из монтажно-испытательных комплексов в сборочные цеха и на стартовые площадки, а также запчасти и горюче-смазочные материалы.
Поскольку количество запусков в XXI веке существенно уменьшилось, снизился объем перевозок по железной дороге. В 2019 году были отменены «мотовозы». Так называли поезда, которые перевозили сотрудников с Байконура (станция «Городская») на космодром. Поезда формировали из купейных и межобластных (сидячих) вагонов, время в пути до самой дальней станции составляло три часа. Теперь для доставки работников достаточно автобусов.
