Vor dem Hintergrund der heraufziehenden Industrialisierung spielten Überlegungen zur Verkehrsentwicklung allerorten eine wichtige Rolle. Neben Straßen und Kanäle trat – ausgehend von England – nun ein neuer Verkehrsträger, die Eisenbahn, die sich in Deutschland zum Leitsektor der Industrialisierung entwickelte.
Bereits in den 1820er Jahren setzten sich der Reutlinger Ökonom Friedrich List und andere für den Bau eines Eisenbahnnetzes in Deutschland ein. 1835 schließlich wurde mit der zwischen Nürnberg und Fürth verkehrenden Bayerischen Ludwigsbahn die erste Eisenbahn in Deutschland offiziell eröffnet. Auch in Württemberg nahm man in den 1830er Jahren den Eisenbahnbau in den Blick. Ein Gutachten aus dem Jahr 1834 legte den Bau einer Eisenbahnstrecke von Stuttgart über Ulm zum Bodensee nahe. Im Dezember 1835, dem Monat der ersten Eisenbahnfahrt in Deutschland, gründeten Ulmer Bürger, voran Conrad Dietrich Haßler, die „Ulmer Eisenbahngesellschaft“ als Aktiengesellschaft mit dem Ziel, Ulm an das Eisenbahnnetz anzuschließen. 1836 fusionierten die Eisenbahngesellschaften von Ulm und Stuttgart zur „Württembergischen Eisenbahngesellschaft“, die sich jedoch 1838 wieder auflöste. 1843 wurde der Bau der Eisenbahnstrecke von Stuttgart über Ulm, Biberach, Ravensburg bis Friedrichshafen schließlich per Gesetz beschlossen. Für die Trassenführung von Stuttgart nach Ulm standen lange zwei Varianten zur Diskussion: die längere Strecke über das Rems- und Brenztal mit dem Vorteil der Umgehung der Schwäbischen Alb und die kürzere, aber wegen des Albaufstiegs bei Geislingen kompliziertere Variante durch das Filstal, die schließlich realisiert wurde. 1846 begann der Bau der Südbahn von Ulm nach Friedrichshafen. Im Juni 1850 schließlich war die Verbindung Heilbronn - Stuttgart – Ulm - Friedrichshafen fertiggestellt, und am 29. Juni fuhr der erste Zug aus Stuttgart im Ulmer Bahnhof ein, ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg Ulms zum Eisenbahnknotenpunkt. Kontroverse Diskussionen hatte zuvor die Frage des Bahnhofstandorts in Ulm ausgelöst. Erwogen wurde die Lage im Norden der damals bebauten Fläche etwa entlang der heutigen Karlstraße. Dabei sollte die Bahn von Stuttgart her durch das Lehrer Tal in die Stadt geführt und die Donau im Osten überquert werden. Favorisiert wurde diese Lösung zum Beispiel von Stadtbaumeister Thrän und Festungsbaumeister von Prittwitz. Die Trasse nach Friedrichshafen wäre in dieser Variante allerdings durch bayerisches Gebiet verlaufen. Realisiert wurde nach der Entscheidung des Gemeinderats allerdings der Bahnhof an seinem heutigen Standort, seinerzeit westlich angrenzend an das Stadtgebiet, was allerdings zunächst eine Ausdehnung der Stadt nach Westen erschwerte.  Von 1854 bis 1871 gab es in Ulm einen württembergischen und einen bayerischen Bahnhof (die Zweiteilung ist noch heute an den vorgelagerten Gleisen 25-28 erkennbar), deren Uhren übrigens seit Einführung der mitteleuropäischen Sommerzeit 1893 verschiedene Zeiten anzeigten.
Der Bau von Bahnhöfen und Strecken erforderte neben immensen Mengen an Rohstoffen auch sehr viele Arbeitskräfte. Um 1850 hatte man in Ulm sehr viele Arbeiter, die zuvor auf den Baustellen der Bundesfestung tätig waren, für den Eisenbahnbau aktiviert.
Die Entwicklung der Eisenbahn im 19. Jahrhundert war für alle Lebensbereiche von enormer Bedeutung. Der Personenverkehr wie auch der Güterverkehr schnellte sprunghaft an. In immer kürzerer Zeit konnten immer weitere Entfernungen zurückgelegt werden. Die Eisenbahn beeinflusste aber auch militärische Ereignisse. Die Möglichkeit zum Transport von Truppen und Material per Eisenbahn wurde zu einer entscheidenden logistischen Größe in der Kriegführung seit der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts.