大峡谷铁路（Grand Canyon Railway，GCRX）是一个连接美国亚利桑那州威廉斯和大峡谷国家公园南缘的铁路。
1901年时，艾奇逊，托皮卡和圣塔菲铁路（Atchison, Topeka and Santa Fe Railway）建立了一条从亚利桑那州威廉斯到大峡谷镇南缘的支线铁路。首班车于同年9月17日发车。这条全长103公里的铁路当时的票价是3.95美金。而当时的美国环保运动领袖约翰·缪尔则提出了该铁路会使当地自然环境受影响的批评。为了服务旅客，圣塔菲铁路公司于大峡谷南缘距离车站只有约6米处建立了艾尔多瓦饭店（El Tovar Hotel），并于1905年1月开业。
第二次世界大战后因为公路运输的影响，圣塔菲铁路于1968年7月开出最后一班客运列车，而该班列车甚至只载了3位旅客；不过圣塔菲铁路仍使用该铁路进行货物运输直到1974年，后来整条路线荒废。
铁路线荒废后在1977、1980和1984年曾有企业计划将铁路恢复客运，但并未成功。
1988年，一对来自亚利桑那州凤凰城的夫妻 Max and Thelma Biegert 购下了这条铁路，并于1989年以独立的公司营运，不再属于圣塔菲铁路。首班列车是1989年9月17日开出以纪念该铁路的第一班列车。而新的铁路公司开业时 Biegerts 夫妻成立了一家专门的航空公司将游客从加州、拉斯维加斯和凤凰城送到旗杆市让游客方便搭乘大峡谷铁路。
大峡谷铁路除了圣诞节以外每天都载运数百位旅客往返大峡谷。2006年时有约24万人次搭乘。
而保存下来的圣塔菲铁路车站现由大峡谷铁路公司管理，并且在特定节日开行 Seasonal Polar Express 等特别列车。并且和美铁的铁路车站以一天两班的 Thruway Motorcoach 接驳车连络以搭乘美铁的西南酋长号列车。
大峡谷车站则由美国国家公园管理局所有，并且至今仍是该铁路的北端终点站。
大峡谷铁路修复了数台1970年代的 EMD F40PH 柴油机车进行定期运转，客车则布置成1950年代的风格。旅程的回程中加上了模拟美国旧西部火车抢劫的剧情。
在冬季时（11月到翌年1月），大峡谷铁路则行驶从威廉斯车站到北方距离30公里“北极车站”的 列车。2008年冬季列车载运了78000人次旅客。
2006年，Max and Thelma Biegert 宣布将出售大峡谷铁路和相关的餐厅、旅馆等服务设施。
2006年9月21日在科罗拉多州丹佛的 Xanterra Parks & Resorts 成功购下大峡谷铁路。这家公司预计将大峡谷铁路和它原本在大峡谷国家公园南缘的服务相结合。
2008年9月Trains 杂志报导 Xanterra 将不再行驶蒸汽机车。这个决定是因为2000年以后能源危机和经济衰退的结果，虽然对外宣称是因为环境因素的决定。之后该铁路上的29号和4960号蒸汽机车都在威廉斯车站静态展示。不过2009年9月19日开始又重新在特定日期行驶蒸汽机车，燃料则改为植物提炼的生质油。
2008年6月24日，菲利浦·安舒茨宣布将收购 Xanterra 公司，并于9月25日完成收购。
大峡谷铁路除了12月25日之外，每天都有列车往返于威廉斯和大峡谷南缘之间。每日上午09:30自威廉斯开车，11:45到达大峡谷南缘。下午03:30自大峡谷开车，05:45到达威廉斯。
大峡谷铁路已于2000年列入国家史迹名录，而大峡谷车站是另外独立列入。
