中国铁路馆共两层，主展区在二楼。
二楼馆内分三展区，主要展示中国铁路科技创新的成果，表达铁路作为连接城市的纽带及对人类文明进步历程的积极影响。第一展区主要展示中国铁路发展的辉煌历程。第二展区为主题影院，用影像介绍中国铁路的建设状况。第三展区通过模型和装置设施吸引参观者参与互动。
参观者乘自动扶梯登上二楼，进厅左侧是一幅长12.5米、高5米的巨大LED屏幕。画面显示：一列动车组停在站台，旅客陆续上车，列车启动，快速驶向远方。这个名为“始发站”的展项，引导参观者由此开始一段穿越梦幻时空、体验铁路创新发展巨大成就的和谐之旅。
正面主题墙，采用国内最新技术――立体动态浮雕，将“和谐铁路，创造美好生活新时空”的中国铁路馆主题突出显现出来。
第一展区有7块长2.7米、高1.5米的屏幕，展示中国铁路在装备现代化、高速铁路建设运营、既有线提速技术及成效、高原铁路建设运营、重载铁路运输、铁路客货运输等方面的新技术、新成就。屏幕是触摸式的，参观者可用手指点击，缩放和拖动图片。
前方由硕大的投影沙盘和墙面屏幕组成的展项，展示了在建的京沪高速铁路沿线车站、桥梁、隧道等重点工程和秀丽风光。中间由360度环形天幕、地幕组成的4小时交通圈展项，展示环渤海、长三角、珠三角地区4小时交通圈所覆盖的区域和城市景观。
第二展区的主体是一座大屏幕3D影院，可容纳200个普通坐席和10个VIP坐席。所有座位都由动车组生产厂家根据动车组列车座椅的质量标准，精心制造和安装。戴上特制眼镜，8分钟3D影片将以精彩的画面、独特的视角，让参观者感受中国铁路创造的美好生活景象。
影院隔壁，则是一条展现中国铁路百年发展的时空隧道。地面由透明玻璃组成，可以看到脚下从木枕道床、混凝土轨枕道床，到无碴轨道的轨道结构变化。墙壁上是各个历史时期的珍贵史料。
第三展区最为醒目的是一个巨大的莫比乌斯环，与中心投影主屏、环形LED屏融为一体，形成时空穿梭的视觉效果，寓意中国铁路穿越梦幻时空，创造美好未来。
这里展示北京南站、上海虹桥站、广州南站的模型，体现功能性、系统性、先进性、文化性、经济性的现代化车站建设理念。南京大胜关长江大桥和武汉天兴州长江大桥两座模型，则展现了世界一流的铁路桥梁建造水平。
第三展区有两座仿真司机室模拟操纵台。一座是和谐号高速动车组驾驶舱，另一座是和谐型大功率交流传动电力机车的驾驶舱。参观者可以坐在司机椅上，在工作人员的指导下，过一把当火车司机的瘾。
楼下的还有一个全国铁路调度指挥中心模拟台。前方大屏幕显示一条条铁路线，坐在一排电脑前，根据简易操作提示卡，模拟调度指挥操纵流程，接发列车，同时感受和体验铁路调度指挥、列车控制、安全运行、通信信号等世界一流的自主创新技术。
一楼是商业服务区、铁路纪念品展示区和儿童乐园。这里的餐厅也独具铁路特色，环境布置模拟餐车，通过车窗外景色的快速移动，给人以在列车餐车就餐的感受。
展馆入口处展出新一代中国铁路高速动车组，编号CRH-380A，隶属于CRH2系列(和谐号380A应该是CRH3系列才对）。
游客还可以参观即将应用于京沪高铁的新一代动车组的车厢装饰和布局。
在展馆内还可以购买11天内列车车票。并且票面上会印有世博字样，极具珍藏价值。
