Située à l'est du centre historique, la gare de Douai est desservie à la fois par des trains régionaux et des . Par le réseau régional, il est possible de rejoindre Douai depuis Valenciennes et Lens (ligne 21), depuis Rouen, Amiens et Arras (ligne 2) et depuis Cambrai (ligne 22). Ces deux dernières lignes ont Lille comme terminus. Par le réseau TGV, Douai est relié une fois par jour ou par semaine à Bordeaux, Nantes, Rennes, Lyon, Marseille et Avignon. Paris est desservie elle plusieurs fois par jour. Il est également possible de rejoindre l'aéroport de Paris-Charles-de-Gaulle.