Undergrundsbaner opstod i slutningen af 1800-t., fordi byvæksten i storbyer som London, Paris og New York var kolossal med høj befolkningstæthed og vanskelige trafikforhold med ringe fremkommelighed. Det blev nødvendigt at løse trafikproblemerne med et massetransportmiddel.

Jernbanen, som var det nye, moderne transportmiddel, var den mest velegnede løsning. Den blev derfor udbygget på tværs af bykernerne dels som højbane, dels som undergrundsbane. Den første egentlige undergrundsbane blev anlagt i London i 1863. Togene blev fremført af damplokomotiver, der dog ikke var særlig velegnede hertil.

I slutningen af 1800-t. blev brug af elektricitet så udviklet inden for jernbaneområdet, at de første elektriske tog til brug i undergrundsbaner blev en realitet; dette skete først i London med ellokomotiver fra ca. 1890 og fra 1900 med egentlige togsæt i det første egentlige tunnelrørsystem. Den ældste elektriske undergrundsbane med togsæt i Europa åbnedes dog allerede i 1896 i Budapest.

Undergrundsbanerne blev herefter et vigtigt element i den moderne byudvikling. Mange typer af systemer er blevet anvendt, både linje- og ringbanesystemer afhængigt af bydannelsen. I storbyer, hvor jernbanerne var ført radialt ind imod bycentret, var der sjældent en god forbindelse mellem de store banegårde, men et ringbanesystem kunne afhjælpe dette problem.

Ud over i verdens største storbyer er der bygget undergrundsbaner i næsten alle større metropoler og storbyer over hele Jorden, i alt i ca. 130 byer (2000). Der er forskellige typer af anlæg med meget forskellige strækningslængder og kapacitet afhængigt af de lokale forhold. Der anvendes små tog med høj frekvens, fx ved Københavns metro, eller store tog med lavere frekvens og tog med forskellige standsningsmønstre eller togtyper.

De første undergrundsbaner blev anlagt ved direkte gravning fra overfladen (cut-and-cover-metoden, se tunnel). Det giver nogle bindinger i baneforløbet, da det stort set må følge gadeforløbet. Ligger banestrækningen i over 20 m dybde, må der udgraves som egentlig tunnelbygning med tunnelboremaskine.

Herved kan der skabes en større frihed i anlægget, idet bl.a. kurveradier kan gøres større, hvorved strækningen kan befares med større hastighed. Det er kostbart at udgrave på denne måde, og derfor vælges ofte et tunnelprofil, der er mindre end normalprofilet. Der anvendes normalt en sporvidde på 1435 mm.

Stationerne kan være anlagt med sideperroner eller som en ø-perron. Adgangen foregår fra gaden ofte via rulletrapper og elevatorer, mens almindelige trapper udgør flugtveje. Nogle stationer kan fungere som knudepunktsstationer, hvor der kan skiftes til andre tog, fx en anden undergrundslinje, fjern- eller regionaltog, samt til lokale buslinjer.

Der findes næsten lige så mange typer rullende materiel, som der findes undergrundsbaner. Vognkasserne var tidligst af træ, men fremstilles nu af stål og aluminium. Vognlængde og vognbredde er afhængige af baneanlægget, dvs. kurveforhold og tunnelprofilets størrelse.

Grundformen er normalt motorvogn og bivogn/styrevogn, der automatisk kan sammenkobles til et større togsæt (fx op til otte vogne). Der kan maksimalt køres 80-120 km/h med gennemsnitlige hastigheder på 35-45 km/h og med høje accelerationer. De moderne elektriske systemer er indrettet således, at der sker en regenerering af elektriciteten, dvs. den sendes tilbage i nettet ved elektrisk bremsning.

Tunnelprofiler vil sjældent være så store, at der kan anlægges en overliggende køreledning. Derfor anvendes normalt sideliggende, strømførende tredjeskinne på ca. 750 V jævnstrøm. Der anvendes også mange forskellige tekniske løsninger som traditionel stålhjul/stålskinne, gummihjul/stålskinne samt gummihjul/betonskinne. Tog kan være helt eller delvist betjent af fører eller være helt automatiske.

Moderne undergrundsbanesystemer er pga. togsikkerheden oftest og normalt automatisk styret med ATC-anlæg via fjernstyringscentraler. Sikkerheden styres desuden med signaler og sporskifter. Ofte er linjerne isoleret, så fletning af linjer undgås, og togenes kørsel kan foregå helt automatisk.

Se også jernbane.