Een hogesnelheidslijn, afgekort als hsl, is een spoorweg geschikt voor hogesnelheidstreinen en, over het algemeen, geschikt is voor snelheden vanaf . Deze spoorlijnen hebben grotere boogstralen dan andere. De hellingpercentages kunnen hoger zijn, tot zo'n 4%, doordat zware goederentreinen geen gebruik maken van deze spoorbanen. Er zijn ook minder drukke hogesnelheidslijnen die gebouwd zijn voor zowel trage goederentreinen als hogesnelheidstreinen. Deze spoorlijnen hebben dan lage hellingpercentages en weinig verkanting. Een goed voorbeeld hiervan is de hsl Perpignan – Barcelona, waarop ook goederentreinen rijden. Passagierstreinen rijden voornamelijk overdag en goederentreinen 's nachts om te voorkomen dat beide treinsoorten elkaar in de weg zitten.
In principe gaat het om nieuw aangelegde lijnen; maar vaak rijden hogesnelheidstreinen ook op aangepaste bestaande lijnen die opgewaardeerd zijn naar baanvaksnelheden van 200 tot .
Meestal maken alleen hogesnelheidstreinen gebruik van hogesnelheidslijnen. Soms, zoals op de hogesnelheidslijn Schiphol - Antwerpen tussen Amsterdam, Rotterdam en Breda en tussen Noorderkempen en Antwerpen, en op HSL 2 tussen Leuven en Luik, rijden er reguliere intercitytreinen en lichte goederentreinen over deze lijnen.
Vereisten om met hoge snelheid te kunnen rijden Tracé Een eerste vereiste is een gestrekt tracé met ruime bogen waarbij een boogstraal van minimaal 4000 meter algemeen als wenselijk wordt gezien. Als de spoorlijn alleen voor hogesnelheidstreinen gebruikt wordt, kan de verkanting ingesteld worden op de hoge snelheid. Ook de verticale boogstraal mag niet te kort zijn, om de reizigers geen 'achtbaangevoel' te geven.
Overwegen zijn niet toegestaan en alle spooraansluitingen zijn in principe kruisingsvrij. Met de tracékeuze wordt uiteraard rekening gehouden met allerlei milieu- en andere eisen, zoals geluidsoverlast en verstoring van natuurgebieden. Dit zijn geen noodzakelijke voorwaarden om met hoge snelheid te rijden. Wel dragen aanvullende eisen bij aan hoge bouwkosten.
Geometrie De sporen moeten er in perfecte staat bij liggen, met weinig of geen tolerantie voor afwijkingen (inzakkingen, verschuivingen). Bij hoge snelheid worden zelfs kleine afwijkingen in de baan voelbaar. De afwijkingen zijn vaak met het blote oog niet zichtbaar. Hiervoor rijden er speciale meettreinen die alle afwijkingen van de sporen onderzoeken. De afwijkingen worden dan gecorrigeerd met onderhoudstreinen. Om het onderhoud te beperken worden zware spoorrails gebruikt die weinig vervormen en wordt een maximale asdruk aan de hogesnelheidstreinen opgelegd. In Frankrijk is dat maximaal 18 ton. De spoorrails zijn aan elkaar gelast zodat er geen verstorende spooronderbrekingen zijn. Er wordt zowel spoor met ballast (Frankrijk) als in beton vastgezet spoor gebruikt (Duitsland). De meningen in de spoorwereld zijn nog verdeeld over wat de beste oplossing is. Wel hebben de ICE's, tijdens hogesnelheidsproeven op ballastspoor, last gehad van meegezogen ballaststenen. De fundering van de spoorbaan moet van goede kwaliteit zijn om verzakking en verschuivingen in de loop der jaren te voorkomen. Daarom wordt de fundering vaak versterkt met heipalen en bij slechte grond wordt de spoorlijn op een viaduct gebouwd in plaats van een talud.
Bovenleiding De bovenleiding moet onder een grote trekspanning staan om allerlei ongewenste golfeffecten en bewegingen te vermijden. De bewegingen na de passage van een stroomafnemer moeten zo snel mogelijk gedempt worden. Het aantal stroomafnemers per trein moet zo beperkt mogelijk zijn. Als er meer stroomafnemers zijn, moeten die zo ver mogelijk van elkaar geplaatst zijn. Daarom ligt er bij de TGV-treinstellen een hoogspanningsleiding over het dak, waardoor één stroomafnemer de motorrijtuigen aan beide uiteinden kan voorzien van stroom.
Stroomvoorziening De hogesnelheidstreinen hebben veel energie nodig.Een TGV-Duplex, met 516 zitplaatsen, heeft een vermogen van 8800 kW. Ter vergelijking: een Nederlands zesdelig dubbeldekstreinstel van het type DD-IRM, met 442 zitplaatsen, heeft een vermogen van 2312 kW. Om de elektrische stroom in de bovenleiding te beperken wordt een hoge spanning gebruikt. In de praktijk wordt alleen wisselstroom gebruikt. Een uitzondering is de omleiding van de hogesnelheidslijn van Tours die is geëlektrificeerd met 1500 V gelijkspanning en ook wordt gebruikt door goederentreinen.Carte de France du réseau voyageurs, SNCF Direction de la Communication, Edition décembre 2006 Desondanks bedraagt de maximumsnelheid daar . Bijkomend voordeel van wisselstroom is dat vonken door de wisselende stroom vanzelf doven.
Seinen en treinbeheersingssystemen Door de hoge snelheid kan de treinbestuurder niet snel genoeg reageren op seinen langs het spoor en zijn er problemen bij beperkt zicht. Bij hogere snelheden is een langere remweg nodig en wil men gelijk reageren indien de afremmingscurve overschreden wordt. Daarom wordt de maximumsnelheid en andere informatie in de stuurcabine getoond. Het treinbeheersingssysteem zorgt voor een grotere baancapaciteit. Men streeft naar een frequentie van één trein per 3 minuten. Op de lijn Parijs – Lyon is dat om de 4 minuten, wat een theoretische baancapaciteit geeft van 15 treinen per uur. Er zijn ondertussen diverse treinbeheersingssystemen voor hogesnelheidslijnen ontwikkeld. Om verdere wildgroei te voorkomen heeft de Europese Unie het Europese treinbeheersingssysteem ETCS voor alle nieuwe hogesnelheidslijnen vastgesteld.
Afscherming spoorlijn thumb|HSL-Zuid in de Hoeksche Waard, met duidelijk zichtbare hekwerken links en rechts De spoorlijn moet afgesloten zijn voor mens en dier, zodat die niet op het spoor kunnen komen. Er is aan beide zijden een volledige afrastering, of andere afsluiting zoals een geluidsmuur. Voor het kruisend wild worden speciale doorgangen gebouwd.
Profiel van vrije ruimte Het profiel van vrije ruimte moet groot genoeg zijn om alle risico's uit te sluiten. Tunnels dienen een zodanige doorsnee te hebben dat de luchtdruk niet te hoog wordt. De eerste generatie hogesnelheidstreinen is niet luchtdicht gemaakt. TGV Atlantique-reizigers ondervinden last van hun oren wanneer ze Parijs in- of uitrijden, door de vele tunnels daar. Er moet voldoende afstand tussen de sporen zijn zodat elkaar kruisende treinen elkaar niet beïnvloeden. Reizigersperrons langs de hoofdsporen zijn uitgesloten. Bij stations aan de hogesnelheidslijnen zijn de perrons gelegen aan zijsporen, waar geen treinen met hoge snelheid langsrijden.
Wissels Met de huidige techniek kunnen wissels gebouwd worden met een maximumsnelheid van 220 kilometer per uur in afbuigende stand.Les chemins de fer, Yves Chenel, Bernard Fabry, Michel Flammand, Alain Ménard, Isabelle Michel, Agnès Rambaud, Sylvain Zalkind Dit is dan een zeer lange en complexe installatie met meerdere motoren om de lange tongwissels te bewegen. De wissel is voorzien van een bewegend puntstuk om de continuïteit van de spoorrails te garanderen. Deze kostbare wissels worden alleen geïnstalleerd indien noodzakelijk. Weinig gebruikte wissels worden voor lagere snelheden uitgevoerd. Overloopwissels om van het ene spoor naar het andere te schakelen zijn in Frankrijk geschikt voor 160 kilometer per uur.
Economische aspecten thumb|Op de verbinding Londen-Parijs concurreert de Eurostar met vliegverkeer."Intermodal Competition in the London-Paris Passenger Market: High-Speed Rail and Air Transport", C. Behrens & E.A.J.H. Pels, 9 juni 2009. De economische aspecten van een hogesnelheidslijn zijn complex. De vraag of een hogesnelheidslijn zijn geld opbrengt is niet eenvoudig te beantwoorden. In het algemeen kan gezegd worden dat een hogesnelheidslijn in aanleg en exploitatie (soms aanzienlijk) duurder is dan een normale spoorlijn om de volgende redenen: De eis van grote boogstralen leidt ertoe dat het inpassen in een bestaand landschap, met bestaande bebouwing, slechts te realiseren is met grote infrastructurele ingrepen zoals bruggen, viaducten en tunnels. De zeer kleine toleranties ten aanzien van de ligging van het spoor leiden ertoe dat zowel de aanleg kostbaarder is, als dat het onderhoud intensiever en dus kostbaarder is. Dit geldt met name bij hogesnelheidslijnen op een slappe ondergrond. De technische uitrusting van hogesnelheidsmaterieel is vaak complex doordat dit moet kunnen rijden onder diverse stroomsoorten en voorzien moet zijn van diverse beveiligingssystemen. Dit leidt tot duurder materieel.
De (relatieve) winst van hogesnelheidslijnen kan gezocht worden in de volgende aspecten: Een verschuiving van reizigers van auto en vliegtuig naar de hogesnelheidstrein. Dit speelt niet alleen op het "eigenlijke" hogesnelheidstraject, maar ook op trajecten die daarop aansluiten. Bijvoorbeeld de hogesnelheidsverbinding tussen Parijs en Genève, die tussen Parijs en Mâcon de LGV gebruikt. Hierbij moet bedacht worden dat daarmee het dure hogesnelheidsmaterieel voor de rest van het traject suboptimaal wordt gebruikt. De combinatie van hoge snelheden en een eenvormige exploitatie met steeds hetzelfde materieel maakt een frequente dienstregeling mogelijk, waarbij treinstellen met een hoge passagierscapaciteit elkaar op korte afstand op kunnen volgen. Op die manier kunnen per tijdseenheid grote aantallen reizigers worden vervoerd. Een hogesnelheidslijn wordt veelvuldig als "visitekaartje" gebruikt, niet alleen van de spoorwegonderneming maar ook van het door die hogesnelheidslijn bediende gebied. De kans bestaat dat dit een positieve "uitstraling" op die regio heeft.
Om de capaciteit van een hogesnelheidslijn zo goed mogelijk te benutten, wordt getracht de vraag naar vervoer zo veel mogelijk te spreiden. Een van de methoden is het hanteren van verschillende prijzen voor verschillende vertrektijden: reizen op piekmomenten worden aanmerkelijk duurder. Verder wordt in de tarieven onderscheid gemaakt naar de mate van inwisselbaarheid van het gekochte ticket, en naar de tijd tussen boeking en reis. Tevens worden lastminute-aanbiedingen gehanteerd om onverkochte stoelen alsnog te verkopen. Bij hogesnelheidstreinen geldt vaak een verplichte zitplaatsreservering.
Tot een reistijd van ongeveer drie uur is de hogesnelheidstrein concurrerend met het vliegtuig. Bij langere reistijden worden de treinen gevuld met reizigers die reistijd minder belangrijk vinden en meer prijsgevoelig zijn. Er zijn hogesnelheidstreinen met langere reistijden, zoals Parijs – Nice, maar die zijn voornamelijk gevuld met reizigers die kortere deeltrajecten afleggen. Doordat voor lange afstand veel infraheffingen betaald moeten worden, kunnen er geen goedkope tarieven aan lange-afstandsreizigers geboden worden. Daarentegen stijgen de kosten voor het vliegtuig maar zeer marginaal met de afstand. De grote kosten voor een vliegtuig zijn het landen en opstijgen (10 kilometer stijgen kost veel energie).
Ontwikkeling van hogesnelheidslijnen in de 20e eeuw De eerste hogesnelheidslijn werd in 1964 geopend in Japan, tussen Tokyo en Osaka. Het ging om een nieuwe lijn met nieuwe hogesnelheidstreinen met een maximumsnelheid van . Een jaar later demonstreerde Duitsland op een aangepaste conventionele lijn tussen München en Augsburg dat snelheden tot mogelijk waren. Het zou tot 1977 duren eer dit in commerciële dienst zou gebeuren. In 1967 volgde Frankrijk en ging de TEE Le Capitole van Parijs naar Toulouse over een aangepaste conventionele spoorlijn met maximumsnelheden tot in commerciële dienst. Twee jaar later volgden de Verenigde Staten van Amerika met een dienst tussen New York en Washington met eveneens topsnelheden tot . Dit was een uitvoering van president Johnsons Great Society. Een verder netwerk aan hogesnelheidslijnen is in de VS niet van de grond gekomen. In 2000 werd de snelheid wel verhoogd tot . In de tweede helft van de jaren 70 volgden ook Groot-Brittannië en Duitsland met diensten van op aangepaste lijnen.