Năm 2003, VNR được thành lập trên cơ sở sắp xếp lại Liên hiệp Đường sắt Việt Nam. Năm 2010, VNR chuyển mô hình với hơn 60 doanh nghiệp, đơn vị trực thuộc. Năm 2013, đề án tái cơ cấu VNR được thực hiện, trọng tâm là cổ phần hóa 1 số công ty thành viên, đặc biệt là Công ty Vận tải đường sắt Hà Nội và Sài Gòn.
Giai đoạn 2016-2020, Chính phủ giao VNR xây dựng phương án tái cơ cấu lại, tuy nhiên, do sau đó thực hiện chuyển giao vai trò đại diện vốn nhà nước tại VNR từ Bộ Giao thông vận tải sang Uỷ ban quản lý vốn, nên tới nay đề án chưa hoàn thành.
Giai đoạn 2016-2020, VNR đạt tổng doanh thu hơn 38.600 tỷ đồng, lợi nhuận trước thuế bình quân tới năm 20219 đạt hơn 149 tỷ đồng/năm. Từ năm 2020, VNR lỗ hơn 1.327 tỷ đồng do ảnh hưởng dịch COVID-19, và lỗ kéo dài thêm 2 năm sau đó. Hiện VNR có vốn điều lệ hơn 3.104 tỷ đồng.
Theo đề án tái cơ cấu lại VNR giai đoạn tới năm 2025, VNR có các đơn vị và công ty hạch toán phụ thuộc gồm: Trung tâm Điều hành giao thông vận tải đường sắt; Văn phòng và các ban của tổng công ty; các chi nhánh khai thác đường sắt: Hà Nội, Lào Cai, Hà Lào, Hà Lạng, Hà Thái Hải, Hà Thanh, Nghệ Tĩnh, Thừa Thiên - Huế, Nghĩa Bình, Phú Khánh, Sài Gòn và chi nhánh ga Đồng Đăng; các chi nhánh đầu máy Hà Nội, Vinh, Sài Gòn; Trung tâm Khoa học công nghệ và dịch vụ.
Đơn vị sự nghiệp: Trường Cao đẳng đường sắt, Trung tâm Y tế đường sắt, Ban Quản lý dự án đường sắt khu vực 1.
Các công ty con gồm 15 công ty cổ phần đường sắt: Hà Hải, Hà Thái, Hà Lạng, Yên Lào, Vĩnh Phú, Hà Ninh, Thanh Hóa, Nghệ Tĩnh, Quảng Bình, Bình Trị Thiên, Quảng Nam - Đà Nẵng, Nghĩa Bình, Phú Khánh, Thuận Hải, Sài Gòn; và 5 công ty cổ phần thông tin tín hiệu đường sắt Hà Nội, Bắc Giang, Vinh, Đà Nẵng, Sài Gòn.
Có 2 công ty liên kết, gồm: Công ty Khách sạn thương mại Sài Gòn, Công ty CP Mặt trời - Đường sắt Việt Nam.