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新幹線是以同時適合快速及大量運輸而設計，因而其建造與營運技術均有別於傳統鐵路，例如全面採用動力分散式列車、軌道全面採用立體交叉[1]、首創列車自動控制系統[2]等。最短可以3分鐘的班距運行。除了迷你新幹線之外，列車運行最高車速依路線可達到每小時240至320公里，但在進行速度測試時，曾創下每小時443公里的最高紀錄（由「300X」實驗列車在1996年所創下）。身為日本鐵路技術居於世界頂尖的重要象徵，新幹線的技術也向海外輸出，如台灣高鐵及施工中的印度高速鐵路；做為系統基礎而採用新幹線系統部分技術的有英國、中國大陸、美國德州等地的高速鐵路。
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新幹線最初稱為「新幹線鐵道」，這是相對於當時一般的國鐵路線（即日後所稱的「在來線」）而產生的名稱，新幹線的第一條路線——東海道新幹線，便是為擴充既有的東海道本線而建的鐵路幹線。為推動新幹線興建而立法的《全國新幹線鐵道整備法》中，將新幹線定義為「列車在主要區間能夠以每小時200公里以上的高速度行駛之幹線鐵路」，針對新幹線運輸安全而立法的《新幹線特例法》也採用這個定義，因此迷你新幹線、以及未來將以磁浮列車運行的中央新幹線，都不在這兩個法律的規範範圍內。
日本以外常稱新幹線為「子彈列車」/「子彈火車」（Bullet Train）或是「超特急列車」（Super Express），之後日語羅馬字的名稱「Shinkansen」也逐漸廣為使用。此外，東海道新幹線在通車時也曾經計劃稱為「新東海道線」（New Tokaido Line）。雖然現在車站內的英文告示板上稱新幹線為「Shinkansen」，但在表示列車名稱時仍然採用「Super Express」的稱呼，例如希望號列車上的英文廣播之一為「Ladies and gentlemen, welcome to the Shinkansen. This is the NOZOMI super-express bound for Tokyo.」（各位乘客，歡迎搭乘新幹線，本列車是開往東京的希望號超特急列車）。
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1872年，從東京的新橋至橫濱的日本第一條鐵道開通。該線路採用了窄軌（軌距為1,067mm）。日本鐵路採用窄軌的原因眾說紛紜，最有可能的兩種說法都和英國有關（英國的殖民地鐵路大多使用窄軌）。
- 一則英國的鐵路工程師認為日本地形崎嶇，適合修建窄軌。但由於南非、挪威等國的窄軌鐵路最小彎道半徑遠低於日本最初修建的鐵路，日本的鐵路不可能為了適應地形、規定更小的轉彎半徑而使用窄軌[3]。
1918年試行改軌的寺內正毅內閣因為米騷動垮台，直到1922年，為日本帝國的擴張，主張接駁歐亞大陸鐵路[註 1]的標準軌方案[註 2]才勝過了主張新建窄軌可以接駁既有線的方案。
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在1932年和1937年中日戰爭由滿洲延燒華北之後，東海道・山陽既有線的輸送能力達到極限。1938年12月2日，日本鐵路省設立了「鐵路幹線調查分科會」。1939年7月12日，昭和天皇下令在鐵路省成立「鐵路幹線調查會」，同年11月，研究改善運力的調查初步完成，調查認為「需在同一路段鋪設高標準鐵路」。1939年，與上述兩線平行的新線開始勘查[5]。1943年因戰事吃緊，工程的新丹那隧道在還剩500m貫通的位置停工，竣工的日本坂隧道和新東山隧道在1944年撥給既有線使用[6]。在戰時體制下，當時建設用地都是以極低廉的價格在不經協商的情況下從沿線土地所有者手中（相當於強徵）取得的，亦有不少很多土地是借美軍轟炸，城市地價低迷，日本國鐵藉機收購的，如當時以低價收購了豐橋被燃燒彈遭空襲的區域，戰後東海道・山陽新幹線的建設仍然使用到戰時徵收的土地[7]，因為日本最高法院判決國鐵敗訴，國鐵不得不改線和重新收購土地，東海道新幹線隧道因此較多[8]。
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儘管大運量的幹線鐵路需要電氣化，但是在戰前修建前述的軍方限制了電氣化區間[9]，理由是戰時發配電設施易受到攻擊，致使鐵路癱瘓[10]，所以在寬軌幹線的計劃中蒸汽機車和電力機車併用，只有東京地區到靜岡、名古屋到姬路的區間電氣化。[11][12]
1950年韓戰爆發，日本經濟借特需景氣走出了戰敗後的混亂期，城際交通的需求強烈上升。而此時國鐵也吸收了原來滿鐵和日本帝國陸海軍的人才，高速鐵路車輛的氣動、穩定等性能方面的研究因此有很大進展[13]。
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1954年後，大型民營鐵路業者開始陸續引入高度性能優良，在高速下仍然穩定的新型電車。日本國鐵順應潮流，於1957年推出了新型101系電力動車組。和101系電力動車組開始運行的同一年，在隸屬於日本國鐵的鐵路技術研究所的技術指導下，小田急電鐵也完成了流線型低重心列車3000形SE的研發[14]。設計者對車型的速度有很大野心，但是因為小田急的線路彎道多，原訂145公里/小時的最高速度很難實踐[15]，所以小田急要以和JNR共用實驗數據為條件[15]，把試運行改到軌道條件良好的國鐵線路上[16]。國鐵方面很快接受了交換條件[17]，從小田急借來了3000形SE，於1957年9月在東海道本線上試運行，達到了創世界窄軌列車紀錄的設計最高時速145公里/小時[18]。同年11月，國鐵也在東海道本線上試運行101系動車組，雖然該車作爲通勤電力動車組，氣動性能不好，但還是達到了135公里/小時的最高速度[19]。
1958年，日本國鐵利用101系動車組的技術生產了151系列車，承擔特快車次，其氣動性能良好、車體輕盈重心低、附冷暖空調、而且裝備了空氣懸掛。1959年7月，在動拖比改爲3[註 3]的情況下在東海道本線的金谷站-燒津站區間實驗，刷新了3000型SE的記錄[20]。這證實了新幹線車輛使用動力分散式列車的優勢。
1955年以來，日本國鐵一直在嘗試於鐵路上使用交流電。國鐵因此曾派代表團到巴黎，計劃購買五輛窄軌交流電機車來研究，但是最終談判破裂。[21]後來日本國內企業自行研發出了可適用於50Hz工頻單相電的機車ED44 1(日立製作所研製)和ED45 1(三菱重工研製)。
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在經過多次工期推遲之後，上越新幹線大宮至新潟站間的區間於1982年6月23日投入使用，和東北新幹線在大宮合流。但是大宮-新潟間的工區獨立於東京都方面的施工計畫，東京都方面並無具體施工計劃（施工志中稱為「別途工事實施計畫」），分別到東京站和新宿站的工作仍未完成。[22]
在武藏野線完工後，經由山手貨物線和東北貨物線的貨物列車大為減少，1971年JNR和鐵道建設公團計劃上越新幹線經東北貨物線和山手貨物線的路廊進入地下的站台[23][24]，上蓋高島屋時代廣場[25]。但是由於湘南新宿線於1984年開通由宇都宮和高崎，途經山手貨物線到達新宿的路段，擠占了上越新幹線的用地，加上1988年長野新幹線的開業使得東京站的新幹線營運能力達到極限，JR東日本於是重新考量在湘南新宿線的地下建造隧道，實現當年的構想。但最終高達7000億日元的建設費用迫使解決方案改為在東京站新設月台。[26]
連結東京市區及成田機場的成田新幹線，施工計畫方案於1972年獲批准，1974年2月動工。儘管成田機場的反對者亦對作為機場象徵的成田新幹線作出反對[27][28]，但成田新幹線的反對者和成田機場的反對者是兩個不同群體。
反對成田新幹線者主要是千葉縣浦安町和東京都江戶川區的居民，理由是沿線居民既被迫承受噪音和振動，經過的線路又不設站。江戶川區的居民還起訴當時的運輸大臣，以求撤回施工許可，但最終被日本最高法院駁回[29]。此外，東京都知事美濃部亮吉亦反對建設成田新幹線，甚至時任千葉縣知事友納武人[註 4]也反對施工計畫[30]。
雖然最高法院駁回了撤銷施工許可的訴訟請求，市川市、船橋市和浦安町等沿線自治體還是達成了反對成田新幹線的決議，成田新幹線因難以徵地而擱淺[32]。1987年日本國鐵分割民營化後成為JR集團，因此成田新幹線計畫從法律意義上失效[33]。
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JR北海道的新幹線標誌 -
JR東日本的新幹線標誌 -
JR東海的新幹線標誌 -
JR西日本的新幹線標誌 -
JR九州的新幹線標誌
1969年台東區就通過了決議，要改建上野站使之成為東北新幹線的始發站。1971年日本國鐵敲定東北新幹線建設計畫，不設上野站，在日暮里站附近入地，在地下依次通過鶯谷站、上野公園不忍池東側和御徒町站，到秋葉原站附近出地面(這條路線曲線半徑大)。1972年，東京都知事美濃部亮吉和上野公園管理者反對隧道方案，因為隧道修建會讓不忍池漏水乾枯，阻絕上野公園植被的灌溉，知事認為以破壞不忍池為代價追求新幹線的速度，實則是日本國盲目追求GNP增長的縮影。1973年的東北・上越新幹線反對運動使得台東區引進新幹線站的行動在1976年再起，台東區長和上野、御徒町、鶯谷、日暮里[註 5]地區的3500名居民連署陳情[34]。
1975年山陽新幹線全線開通至博多站，列車增發造成東京站新幹線時間表排圖擁擠混亂，需要增建至三面六線月台應付需求；剩下預留給東北·上越新幹線的只有一面兩線站台，不足應付班次流量，因而國鐵決定暫定以上野站爲東北・上越新幹線始發站[35]。
自民黨長期執政有賴於基礎設施建設的政治分肥（日語：利益誘導）[36]。上越新幹線越後湯澤站和長岡站間放棄直線路徑，改為繞行一段「〉」形的線路，兩站間增設每天僅688人乘新幹線的浦佐站，這種反常狀況是在田中角榮的干涉下出現的，因為站所在的南魚沼市是田中的重要選區。站東口設立了紀念田中角榮的銅像，紀念他引入新幹線[37]。
為了在新幹線的區間內能夠讓列車以超過時速200公里的速度運行，因此採用了許多與在來線不同的技術，希望不但在速度上，在乘客安全與搭乘舒適度上都能達到最高標準。
- 被稱為「迷你新幹線」的某些區間（如山形新幹線的福島至新庄間、秋田新幹線的盛岡至秋田間），從在來線的軌距改為標準軌，讓新幹線列車可以直接行駛進入這些路線中。由於這些路線並未符合新幹線所要求的高速行駛標準，只是將原本的在來線軌距改為新幹線軌距（可節省施工時間及經費），因此在路線的線型配置上仍然是在來線特急。在這些區間內的速限為時速130公里。新幹線列車駛入此區域即為「新在直通運轉」。
- 為方便往後的新幹線列車，尤其是在當時尚在規劃中的長崎新幹線可以直接駛入採用窄軌的在來線區間，JR九州在內的單位曾經開發可變軌距列車（九州新八代車站即設有相關的測試用路線），但JR九州已經決定擱置相關計劃。
- 通往博多南站及博多綜合車輛所的博多南線、以及上越新幹線分支前往Gala湯澤站的路線，也是屬於在來線。
泡沫景氣時期，東京的市中心地區地價高騰，因而很多在都心上班的通勤族會選擇在極為遠離都心的宇都宮、小田原、高崎等地購買或租賃不動產，向新幹線沿線的樞紐車站進行通勤，為此JR推出了新幹線定期券。於1994年開始運行的E1系雙層車的設計目的是要大量增加東北、上越新幹線的輸送能力，以應付日漸上升的通勤和通學的輸送需求[38]，因此設計圍繞提高運載能力進行而選擇犧牲舒適性，例如取消了可調椅背和扶手[39]。
在二十世紀九十年代後，日本全國人口[註 6]重新開始向東京集中。因此為應對地方出現的高齡少子化現象，部分新幹線沿線的自治體開始補助遷入的通勤者利用新幹線通勤的交通費[40]。
安中榛名站是北陸新幹線的一座秘境車站，位於山區，周遭人口密度低，離最近的安中市有一定距離，JR東日本與1999年11月利用本站附近買來的48.7公頃土地開始建設一座度假村式的定居型新城，直至2016年6月末，規劃的全部601區塊的土地全部售完，這是全日本首例基於新幹線TOD開發的度假村。
GALA湯澤滑雪場由JR東日本集團的子公司運營，利用上越新幹線的支線和市中心的車站聯絡。JR東日本的廣告中強調該滑雪場最大的優點是交通高度便利：可以在最短75分鐘內由東京站直達，因而頗受滑雪客歡迎[41]。GALA這個名字即英語中的「節日」之意，為了突出節日特徵，GALA湯澤車站的工作人員會穿著和其它JR東日本車站站員不同的制服[42]。其餐飲服務也頗具特色[43]。
JR東日本在上越新幹線上引入海鮮的快運。海膽和甜蝦從岩手縣三陸海岸、新潟縣佐渡沖的產地分別發至品川站內JR自營的sakanabaccaエキュート品川海鮮店，由汽運所需的10-12小時縮短到6-7小時，取得了壓倒性的時間優勢，並解決了貨車司機不足的問題，但因未安排專門的儲運空間而被部分乘客反對。[44]
| 路線名稱 | 路線 | 計畫路線 | 狀況 | 營運模式 | 實際距離 | 營運距離 | 最高營運速度 | 興建計畫 | 使用列車 | 營運商 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 北海道新幹線 | 新青森-新函館北斗 | 新青森-旭川 | 2016年3月26日開業（新青森-新函館北斗） | 新青森-新函館北斗 | 148.8公里 | 260公里/小時 | 整備新幹線 | E5系、H5系、E3系、E6系、E956系「ALFA-X」（未來） | 北海道旅客鐵道（JR北海道） | |
| 建設中 預計2031年開業（新函館北斗-札幌） | 新青森-札幌 | 211.5公里 | 320公里/小時 | |||||||
| 規劃中（札幌-旭川） | 新青森-旭川 | 未知 | ||||||||
| 東北新幹線 | 東京-新青森 | 已全線開業：
1982年6月23日開業（大宮 - 盛岡） |
東京-新青森 | 674.9公里 | 713.7公里 | 320公里/小時（宇都宮-盛岡） | 始建新幹線 | 東日本旅客鐵道（JR東日本） | ||
| 240公里/小時（大宮-宇都宮） | ||||||||||
| 130公里/小時（東京-大宮） | ||||||||||
| 2002年12月1日開業（盛岡 - 八戶） 2010年12月4日開業（八戶 - 新青森） |
260公里/小時 | 整備新幹線 | ||||||||
| 上越新幹線 | 大宮-新潟 | 新宿-新潟 | 1982年11月15日開業（大宮-新潟） | 東京-新潟 | 269.5公里 | 303.6公里 | 275公里/小時 | 始建新幹線 | E7系、E2系 | |
| 未成線（新宿-大宮） | 不適用 | |||||||||
| 北陸新幹線 | 高崎-金澤 | 高崎-新大阪 | 1997年10月1日（高崎 - 長野）（長野新幹線） | 東京-長野 | 345.4公里 | 260公里/小時 | 整備新幹線 | E7系 W7系 | 東日本旅客鐵道（JR東日本） 西日本旅客鐵道（JR西日本） | |
| 2015年3月14日（長野 - 金澤） | 東京-金澤 | |||||||||
| 2024年3月16日（金澤-敦賀） | 東京-敦賀 | 125.2公里 | ||||||||
| 規劃中（敦賀-新大阪） | 東京-新大阪 | 約127.7公里 | ||||||||
| 秋田新幹線 | 盛岡-秋田 | 1997年3月22日全線開業（正式屬田澤湖線（盛岡-大曲）和奧羽本線（大曲 - 秋田）） | 東京-秋田 | 127.3公里 | 130公里/小時 | 迷你新幹線 | E6系 | 東日本旅客鐵道（JR東日本） | ||
| 山形新幹線 | 福島-新庄 | 已全線開業: | 東京-新庄 | 148.6公里 | E3系、E8系（未來） | |||||
| 東海道新幹線 | 東京-新大阪 | 1964年10月1日全線開業 | 東京-新大阪 | 515.4公里 | 552.6公里 | 285公里/小時 | 始建新幹線 | N700系、N700S系 | 東海旅客鐵道（JR東海） | |
| 山陽新幹線 | 新大阪-博多 | 已全線開業： | 新大阪-博多 | 553.7公里 | 622.3公里 | 300公里/小時 | 500系、700系、N700系、N700S系 | 西日本旅客鐵道（JR西日本） | ||
| 中央新幹線 | 品川-新大阪 | 興建中 預計2034年開業（品川-名古屋） | 品川-新大阪 | 285.6公里 | 505公里/小時 | JR自行推動興建磁浮新幹線 | L0系 | 東海旅客鐵道（JR東海） | ||
| 規劃中（名古屋-新大阪） | 約152公里 | |||||||||
| 九州新幹線 | 博多-鹿兒島中央 | 已全線開業： | 博多-鹿兒島中央 | 256.8公里 | 288.9公里 | 260公里/小時 | 整備新幹線 | N700系、800系 | 九州旅客鐵道（JR九州） | |
| 西九州新幹線 | 武雄溫泉-長崎 | 新鳥栖-長崎 | 2022年9月23日開業（武雄溫泉-長崎） | 武雄溫泉-長崎 | 45.7公里 | N700S系 | ||||
| 規劃中（新鳥栖-武雄溫泉） | 約51.3公里 | |||||||||
整備新幹線最高車速依照全國新幹線鐵道整備法-新幹線鐵路建設第4條至第14條規定將時速260公里/小時設為安全速度，其中東北新幹線(盛岡至新青森間)及北海道新幹線(新函館北斗至札幌間)的高速化作業已向日本政府申請，在改善沿線隔音設備及高架橋隔音板強化等工程後，最高時速將解限速至320公里/小時。改善工程內亦包含次世代新幹線高速試車。於2019年5月至2022年3月間，E956型"ALFA-X"列車於深夜在東北新幹線之整備新幹線興建區間下以400公里/小時的車速試車。
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