齿条与小齿轮铁路(也称为齿轨铁路)采用了具有轮齿的轨道。加装轮齿的轨道通常位于两个行驶轨的中心，能够使火车头穿越斜度超过7%的陡坡，而7%至今仍是标准黏着式铁路的最大斜度限制。

每套齿条与小齿轮系统运作的核心原理是火车头的圆形齿轮啮合在线型齿条上。因此，齿条与小齿轮基本上是将火车发动机所产生的旋转能转换成在齿条上进行直线运动的动能。由于齿条与小齿轮皆具有轮齿，这套系统也能对轨道提供额外的附着力，当火车静止时互相啮合的轮齿则可将其固定就位。

由于传统火车的主要动力来源形式是蒸汽，改用齿条与小齿轮系统的火车则需要大幅改装。从列车车盘的改造(以便安装小齿轮)，到让锅炉、驾驶室和上部结构变得倾斜，都是需要变更的部分。

倾斜是必要的，因为蒸汽机锅炉内的水必须随时覆盖过锅炉管和火箱以维持稳定──在火车呈现不水平的状态下这几乎不可能达成。因此，在齿轨铁路行驶的火车头会朝向轨道倾斜以抵销地形的坡度。

虽然罕见，至今齿条与小齿轮系统仍然在全球各地运作，不过是搭配蒸汽机与柴油/电车头的组合。其中一个最有名的例子是华盛顿山齿轨铁路。

机械登山者华盛顿山齿轨铁路位于美国新罕布夏州，是首条被用来攀爬山坡的齿条与小齿轮铁路。由西尔维斯特‧马什在1869年建造完成，此系统是世界第二陡峭的齿轨铁路，其最高斜度可达37.4%。这条铁路全长4.8公里，在华盛顿山的西坡蜿蜒而上，由海平面上820公尺开始，最高来到接近顶峰的1917公尺。火车头以时速4.5公里攀升，下山的时速则为7.4公里。尽管是在144年前所建造，这条齿轨铁路至今仍完整运作中。