以前火车跨越大海，主要通过铁路轮渡的方式。我国的粤海铁路是较为典型的例子。粤海铁路是中国第一条跨海铁路，2003年全线通车。它采用“两线一渡”的运输模式，利用铁路渡轮将大陆与海南岛上的铁路线连通。火车到达港口后，会被分解成若干组，一般是将一列18节车厢、全长约440米的旅客列车分解为4组。然后在专用调度机车的帮助下，分批次装载到火车渡船上。渡船上有专门的铁轨，工作人员会使用过渡车钩、铁鞋、绑扎铁链、垂直螺杆支撑器等将火车固定好，防止其在航行过程中移动。渡船抵达对岸港口后，会调头倒行，使船尾接入岸上的火车栈桥，再由机车将车厢拉出来重新拼接编组，火车便可继续行驶。

此外，在国外也有一些早期通过铁路轮渡让火车跨越大海的案例。例如，连接英国和欧洲大陆的多佛尔 - 加来铁路轮渡，在很长一段时间里承担着火车跨英吉利海峡的运输任务。

随着技术进步，施工能力提升，火车跨越大海有了更多更好的选择：

如甬舟铁路宁波段的金塘海底隧道，是用盾构机从海岸出发，顺着海床向对岸挖掘，并边挖边修固隧道，之后在里面铺设铁轨。火车可以直接在海底隧道内高速行驶穿越海洋，按照列车200公里的运行时速，通过全长16.18公里的金塘海底隧道几乎不到5分钟。

在一些海峡或海湾等海域，如果具备合适的地理条件和工程可行性，也会建造跨海大桥让火车通行。例如在胶州湾有与青岛海湾大桥并驾齐驱的青盐线跨胶州湾铁路大桥，它是青盐铁路的一部分，是山东省最长的跨海铁路桥，全长8.9公里，跨海段约2公里，允许火车通行。不过，相比公路桥梁，铁路跨海大桥的建设要求更高，需要考虑轨道的平顺性、桥梁的承载能力和稳定性等因素。