Hệ thống tàu điện ngầm đơn giản chỉ là nhiều tàu điện chạy trong một đường ngầm. Tổng quan tàu do nhiều toa tàu ghép lại và bên trong có các hàng ghế cũng như các thanh trụ và dây đai giúp hành khách đứng vững khi đông người.
Tàu chạy trên đường ray thường có cùng kích thước nhất định. Ở thành phố New York, đường ray rộng 1,4 mét là đường ray tiêu chuẩn, cho phép tàu điện có thể kết nối với các hệ thống đường sắt khác.
Tàu điện ngầm ở Hàn Quốc.
Tàu điện ngầm cũng có những hệ thống đặc trưng ít được biết đến đó là đầu tàu cực kỳ phức tạp. Tàu điện ngầm ở Copenhagen, Đan Mạch hiện đang được xây dựng trên cơ sở không người lái. Giai đoạn tiếp theo thì tàu điện ngầm của New York cũng sẽ được nâng cấp giống như vậy, bao gồm cả hệ thống máy tính điều khiển tự động mọi thứ, từ hệ thống đèn tín hiệu đến lập trình hướng đi. Tàu còn sử dụng phanh nhiệt, có khả năng tái tạo lại một phần năng lượng đã mất. Ngoài ra hệ thống máy tính còn giúp giảm thiểu những sai lầm mà người điều khiển hay mắc phải cũng như giúp làm tăng hiệu quả hoạt động của hệ thống.
Thông thường, tàu điện tự vận hành còn tích hợp một bộ giám sát giống như một chiếc ti-vi cho phép hành khách biết được vị trí hiện tại và giúp khiểm soát tàu dễ dàng hơn.
Hệ thống radio hai chiều cho phép hành khách có thể nói chuyện với nhân viên điều khiển hoặc yêu cầu giúp đỡ khi gặp tình huống khẩn cấp. Bên cạnh đó, cảm biến điều khiển cửa tự động có thể phát hiện hành khách gần cửa tàu, giúp hạn chế tình trạng họ tự làm tổn thương khi cố gắng lên tàu lúc cửa đang đóng.
Hệ thống tàu điện ngầm dùng tín hiệu đèn giao thông tự động nhằm tăng tính an toàn. Tín hiệu thông minh hướng dẫn các tàu trong khu vực gần đó lúc nào nên dừng, khi nào nên tiếp tục và có thể cảnh báo nguy hiểm phía trước. Cảm biến hồng ngoại được gắn trên tàu giúp phát hiện các tàu có thể va chạm và chắn chắn điều đó không xảy ra.
Một số tín hiệu được dùng theo phương pháp vật lý để người lái tàu có thể nắm quyền điểu khiển. Một vài trường hợp hệ thống cũng tự động kích hoạt phanh khẩn cấp khi tàu mất kiểm soát hay đang nguy hiểm. Hệ thống tàu điện ngầm cũ của New York cho phép người lái tàu có thể khởi động lại đèn xanh khi đang đỏ mà không vi phạm luật giao thông.
Năng lượng điện thường được dùng để kiểm soát hệ thống thông gió cho tàu điện ngầm, nhưng không khí tự nhiên có thể vẫn chưa đủ đáp ứng nhu cầu của hành khách. Đường ngầm ở thành phố New York đã được lắp đặt cả một chuỗi máy lọc khí hiện đại, cho phép lọc 600,000 mét khối khí mỗi phút.