תחנת רכבת תפעולית היא תחנת רכבת המשמשת לביצוע פעולות הקשורות לתפעול מערכת הרכבות, כמו מפגש רכבות, דיור רכבות, חיוג רכבות ולפעמים גם טיפול טכני ברכבות.
כאשר רכבת נאלצת לעצור מסיבה כלשהי, היא חוסמת לחלוטין את קטע המסילה שעליו היא נמצאת. מסיבה זאת נהוג לבצע עצירות רק בתחנות רכבת ובהן לבצע כל פעולה הדרושה לתפעול מערכת הרכבות. כאשר יש קטע מסילה ארוך במיוחד ללא תחנות ויש צורך לבצע עצירה בקטע הזה, תוקם בו תחנה תפעולית שבה תבוצע העצירה. בעבר היה צורך בעצירות תפעוליות רבות לשם אספקת מים ופחם לקטרים. כמו כן, היו רוב קווי הרכבת בנויים ממסילה בודדת שלא אפשרה לרכבות בכיוונים מנוגדים לעבור זו על פני זו או לרכבות מהירות לעקוף רכבות איטיות יותר, שלא בתחנה. הצורך לתאם מפגש רכבות רק לתחנות שלאורך הקו יצר קשיחות בלוחות הזמנים ובעיות רבות במקרים של תקלות ואיחורים. הקמת תחנות תפעוליות במרחקים לא גדולים זו מזו נתנה גמישות תפעולית רבה יותר בעלות נמוכה מהכפלה מלאה של המסילה.
התחנה התפעולית על מסילה יחידה בנויה מעקלתון מקביל למסילה הראשית באורך שיכול להכיל את הרכבת הארוכה ביותר הפועלת בקו, וממסוטים המחברים את קצותיו למסילה הראשית. באמצעות העקלתון ניתן לבצע מפגש רכבות וחיוג רכבות.
התחנה התפעולית על מסילה כפולה בנויה ממסוטים המחברים את שתי המסילות זו לזו ומאפשרים מעבר של רכבות בין שתי המסילות. באופן הזה ניתן לבצע חיוג רכבות וכן במקרה של מסילה חסומה, לעקוף את הקטע החסום במסילה המקבילה, ולאחריו (בתחנה הבאה) לחזור למסילה המקורית.
תחנה תפעולית כזאת משמשת כמקום המתנה לרכבות שסיימו לבצע נסיעה בקו ויש להן עוד זמן המתנה עד לנסיעה הבאה. בתחנה כזאת יהיו מספר עקלתונים המחוברים במסוטים למסילות הראשיות ובהן ידוירו הרכבות הממתינות מבלי להפריע לתנועה במסילות הראשיות.
תחנה תפעולית כזאת משמשת לעריכת רכבת מקרונות, או לפירוק של רכבת ומיון הקרונות השונים מהם היא מורכבת. תחנה כזאת בנויה ממספר רב של עקלתונים שחלקם משמשים לדיור הקרונות על פי סוגם וחלקם כשטח עבודה לעריכת הרכבת או פירוקה. את עריכת הרכבת או פירוקה מבצעים קטרי עיתוק המעבירים את הקרונות בין המסילות. התחנות העיקריות שבהן עורכים רכבות הן תחנת הרכבת אשדוד מיון, תחנת הרכבת חיפה מזרח, תחנת הרכבת בני ברק, תחנת הרכבת דימונה ותחנת הרכבת לוד.
להלן הרשימה של התחנות התפעוליות של רכבת ישראל (מצפון לדרום):