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La ferrovia Bologna-Firenze, conosciuta storicamente come Direttissima, è una linea ferroviaria italiana che collega Bologna a Prato e Firenze, valicando l’Appennino tosco-emiliano nella Grande galleria dell'Appennino. È gestita dal 2001 da Rete Ferroviaria Italiana.

Le stazioni ferroviarie di Firenze fanno parte di uno dei principali snodi di trasporto d'Italia, da cui partono linee nazionali (tradizionali e alta velocità) e metropolitane. A Firenze è in progetto un servizio ferroviario metropolitano che andrà ad integrarsi con il servizio tramviario, con la creazione di nuove stazioni ferroviarie metropolitane. La realizzazione, iniziata nel 2011, del tratto interrato dell'Alta Velocità, da Campo Marte a oltre Rifredi, permetterà di utilizzare i binari di superficie per potenziare il servizio ferroviario della città. A Firenze ha sede l'Agenzia Italiana per la Sicurezza delle ferrovie.

La stazione di Bologna Centrale è la principale stazione ferroviaria della città di Bologna e, a maggio 2015, la quinta in Italia per dimensioni e volume di traffico viaggiatori (circa 78 000 m² attraversati da 58 000 000 di viaggiatori all'anno), dopo Roma Termini, Milano Centrale, Torino Porta Nuova e Firenze Santa Maria Novella. Nel 2013 sono stati attivati 4 binari dedicati all'Alta Velocità nella nuova stazione sotterranea. La sua posizione ne fa la convergenza di molteplici linee dell'Italia settentrionale, le quali vi trovano proseguimento lungo la linea appenninica per Firenze e Roma e la linea adriatica per Ancona, Pescara, Bari e Lecce. Contende a Roma Termini il primato per numero di treni giornalieri in transito (circa 700).

La stazione di Firenze Santa Maria Novella è la stazione centrale di Firenze, la quarta in Italia per flusso di passeggeri. Il fabbricato viaggiatori fu progettato all'inizio degli anni trenta da una squadra di architetti detta Gruppo Toscano, guidati da Giovanni Michelucci. Gli altri apparati tecnici e di servizio erano stati progettati da Angiolo Mazzoni e conclusi leggermente prima nel 1929 (come la Centrale termica). La stazione è considerata uno dei capolavori del razionalismo italiano. La stazione è collocata nel centro di Firenze in piazza della Stazione non lontano dai grandi viali di Circonvallazione e conta 59.000.000 di passeggeri all'anno.

La stazione di Firenze Campo di Marte è una stazione ferroviaria fiorentina posta nell'omonimo quartiere. La stazione è posta lungo le due ferrovie che collegano Firenze con Roma e pertanto vi transitano tutti i treni che collegano Firenze con il centro e il sud d'Italia. A sud si affaccia su via Mannelli e a nord su via del Campo d'Arrigo.