按重载列车的作业组织方法区分，铁路重载运输有以下三种模式： 

1.单元式重载列车——是把大功率机车双机或多机与一定编成辆数的同类专用货车固定组成一个运输“单元”，并以此作为运营计费的单位。机车操纵采用无线遥控同步运转系统，运送的货物品种单一，在装、卸站间往返循环运行，中途列车不拆散，不进行改编作业，机车车辆固定编挂位置，车底固定回空，两端车站装卸设备配套，是装、运、卸“一条龙”的运输组织形式。 

在路网规模大、行车密度小、货运比重大、运能较富裕的美国、加拿大、澳大利亚等国，组织开行从装车地到卸车地之间的重载单元列车，通过货物集中发送、快速装卸、加速机车车辆周转来降低成本，从而获得较大的效益，提高了与其他运输方式的竞争能力。美国的重载单元列车，牵引总重在10000吨以上，是名副其实的万吨列车，并曾创造总重达44066吨的世界最高纪录。 

2.组合式重载列车——是由两列及其以上同方向运行的普通货物列车首尾相接、合并组成的列车。机车分别挂于各自的货物列车首部，由最前方货物列车的机车担任本务机车，运行至前方某一技术站或终到站后，分解为普通货物列车。它实质上是在线路通过能力紧张的区段，利用一条运行线行驶两列及以上的普通货物列车的一种扩大运输能力的方式。 

前苏联铁路是客货混用，列车数量多、行车密度大，运能与运量的矛盾比较突出，为扩大运输能力、挖掘现有设备潜力，即组织开行超重、超长列车或组合式列车，并成功地试验开行了总重43047吨的重载列车。
 
3.整列式重载列车——是由大功率单机或多机重联牵引，列车由不同型式和载重的货物车辆混合编组，达到规定重载标准(牵引重量达到5000吨及其以上)的列车。目前，中国繁忙干线上开行的重载列车主要为这种模式。