鉄道事業における第三セクターの仕組みと定義を紐解くと、第一セクター（国や地方自治体などの公企業）と第二セクター（民間企業）が共同出資して設立した法人を指します。行政の持つ公共性と、民間企業が持つ経営の機動性を融合させた事業形態として位置づけられています。
日本国内における設立の経緯は、主に以下の3つのパターンに大別されます。
1つ目は、旧国鉄改革に伴う特定地方交通線の転換です。1980年代の国鉄再建法に基づき、採算が悪く廃線対象となった地方ローカル線を、地域の生活路線として残すために自治体と地元企業が出資して引き継ぎました。三陸鉄道や明知鉄道、樽見鉄道などがこれに該当します。
2つ目は、新幹線延伸に伴う並行在来線の経営分離です。整備新幹線が開業する際、JR各社は採算維持が難しい並行在来線を経営分離することが認められています。これにより誕生したのが、しなの鉄道、あいの風とやま鉄道、ハピラインふくいといった事業者です。
3つ目は、都市部の新線建設や臨海部・ニュータウン開発に伴う鉄道整備です。巨額の初期投資が必要な新線建設を官民一体で進めた愛知環状鉄道や横浜高速鉄道（みなとみらい線）などが挙げられます。
一般社団法人日本民営鉄道協会や第三セクター鉄道等協議会に加盟する第三セクター鉄道の一覧を見ると、北は北海道の道南いさりび鉄道から南は熊本県のくま川鉄道まで、全国で約40社以上が日々の運行を支えています。
