L'agglomération est desservie par deux gares principales, distantes d'environ 500 mètres, la gare historique de Lille-Flandres et la gare de Lille-Europe construite sur la LGV Nord. Elles permettent une liaison directe avec la plupart des villes françaises desservies par le TGV, dont l'aéroport de Paris-Charles-de-Gaulle en et Paris en , mais aussi avec Bruxelles en et Londres en . Certains TGV Ouigo en provenance des gares françaises arrivent également à la gare de Tourcoing. La gare de Lille Europe accueille également les qui relient Lille à Arras en 20 min, à Dunkerque en 35 min, à Calais en 40 min et à Boulogne-sur-Mer en une heure, tandis que la gare de Lille-Flandres accueille par ailleurs les TER Hauts-de-France en provenance des principales villes de la région, quelques TER interrégionaux en provenance de Rouen et de Charleville-Mézières et les trains InterCity belges en provenance de Courtrai, Anvers, Tournai et Namur. Le service de voiturier Ector est disponible en gares de Lille Flandres et Lille Europe.