โครงการก่อสร้างรถไฟทางคู่สายเด่นชัย-เชียงราย-เชียงของ ระยะทาง 326 กิโลเมตร  ในอดีตรัฐบาลไทยได้ทำการศึกษาเส้นทางนี้มาตั้งแต่ปี 2503 และสำรวจพื้นที่ปี 2512 โดยกำหนดให้ใช้เส้นทางเด่นชัย - แพร่ - สอง - เชียงม่วน - ดอกคำใต้ - พะเยา - ป่าแดด - เชียงราย ระยะทางรวม 273 กิโลเมตร 

ต่อมาปี 2537-2538 การรถไฟแห่งประเทศไทย (รฟท.) ได้ว่าจ้างที่ปรึกษาทำการทบทวนผลการศึกษาได้ข้อสรุปว่าเส้นทางเด่นชัย - แพร่ - สอง - งาว (ลำปาง) - พะเยา -เชียงราย ย่นระยะทางเหลือประมาณ 246 กิโลเมตร ทำให้ในปี 2539-2541 ใช้งบประมาณราว 2.2 ล้านบาท ทาง รฟท.จึงได้ว่าจ้างเอกชนให้สำรวจออกแบบและศึกษาผลกระทบ จนมีพระราชกฤษฎีกาเวนคืนที่ดินในปี 2544 กระทั่งปี 2547 รัฐบาลในขณะนั้นได้ให้ศึกษาความเหมาะสมอีกโดยให้เหตุผลว่าเพื่อให้เชื่อมกับจีนตอนใต้ กระทั่งปี 2551 ยังให้ศึกษาเพื่อให้เชื่อมชายแดน จ.เชียงราย และระบบรางของจีนได้ 

จนถึงปี 2553-2554 จึงเริ่มศึกษารถไฟแบบทางคู่ เพื่อให้มีขนาดกว้างขึ้นเป็น 1.453 เมตร และกรณีเส้นทางใน จ.เชียงราย ให้แยกเส้นทางไปยังท่าเรือแม่น้ำโขงเชียงแสนแห่งที่ 2 ต.บ้านแซว อ.เชียงแสน และสะพานข้ามแม่น้ำโขงไทย-ลาว ที่ อ.เชียงของ อีกด้วย 

ทั้งนี้ แนวเส้นทางล่าสุดที่ศึกษาจึงมีระยะทางรวมประมาณ 323.1 กิโลเมตร กำหนดให้มีทั้งหมด 26 สถานีผ่าน จ.แพร่ ลำปาง พะเยา และเชียงราย และมีการเจาะภูเขาเป็นอุโมงค์เพื่อเชื่อมเส้นทาง อ.เชียงของ

พ.ศ. 2561  ครม. มีมติอนุมัติโครงการก่อสร้างรถไฟทางคู่สายเด่นชัย-เชียงราย-เชียงของ ประกอบด้วย สถานี 26 สถานี ลานขนถ่ายสินค้า 4 แห่ง ลานกองเก็บตู้สินค้า 1 แห่ง ก่อสร้างอุโมงค์รถไฟ 4 อุโมงค์ ก่อสร้างถนนยกข้ามทางรถไฟ 40 แห่ง และถนนลอดใต้ทางรถไฟ 102 แห่ง โครงการเริ่มเริ่มต้นจาก จ.แพร่, จ.ลำปาง, จ.พะเยา, จ.เชียงราย จนถึงเชียงของ แบ่งการก่อสร้างออกเป็น 3 สัญญา คือ สัญญาที่ 1 ช่วงเด่นชัย-งาว ระยะทาง 104 กม. สัญญาที่ 2 ช่วงงาว-เชียงราย ระยะทาง 135 กม. และสัญญาที่ 3 ช่วงเชียงราย-เชียงของ ระยะทาง 84 กม.

เมื่อโครงการแล้วเสร็จจะรองรับการเดินทาง การค้าชายแดน การท่องเที่ยว และโลจิสติกส์ภาคเหนือตอนบน รวมถึงรองรับศูนย์เปลี่ยนถ่ายสินค้าเชียงของ เชื่อมการค้าระเบียงเศรษฐกิจแนวเหนือ-ใต้จากประเทศไทย ไปยังลาว พม่า และจีนตอนใต้ และจะช่วยผลักดันเขตเศรษฐกิจพิเศษจังหวัดเชียงรายที่รัฐบาลกำลังผลักดันให้เกิดได้เร็วขึ้น[7]