โครงการรถไฟความเร็วสูงสายอีสาน เป็นหนึ่งในสี่เส้นทางระบบรถไฟความเร็วสูงในประเทศไทย มีจุดหมายเพื่อทดแทนระบบรถไฟชานเมืองและรถไฟสายต่าง ๆ ในประเทศไทย เชื่อมต่อภาคธุรกิจเข้ากับตัวเมืองอย่างรวดเร็ว โครงการเริ่มศึกษาตั้งแต่ พ.ศ. 2553 ในสมัยที่ อภิสิทธิ์ เวชชาชีวะ ดำรงตำแหน่งเป็นนายกรัฐมนตรี​ โดยคณะรัฐมนตรีในสมัยนั้นได้มีการลงนามในบันทึกความเข้าใจระหว่างหน่วยงาน (MoU) กับรัฐบาลจีน เพื่อศึกษาความเป็นไปได้ของโครงการร่วมกัน ซึ่งทางรัฐบาลจีนเองก็มุ่งหวังที่จะเข้ามาพัฒนาโครงการระบบรถไฟความเร็วสูงในประเทศไทยให้เชื่อมต่อเข้ากับเส้นทางรถไฟความเร็วสูง จีน - ลาว (คุนหมิง - เวียงจันทน์) อันจะก่อให้เกิดเป็นเส้นทางสายไหมเส้นใหม่ (Belt and Road Initiative) ที่จะเชื่อมต่อประเทศกลุ่มซีเอ็มแอลวี อันได้แก่ จีน ลาว มาเลเซีย และเวียดนาม เข้ากับประเทศไทยให้เป็นผืนแผ่นเดียวกัน โดยมีกรอบวงเงินลงทุนที่ 180,000 ล้านบาท ซึ่งรัฐบาลไทยจะลงทุนในสัดส่วน 51% และรัฐบาลจีนจะร่วมลงทุนในสัดส่วน 49% แต่สัญญากลับไม่คืบหน้าเนื่องจากรัฐบาลประกาศยุบสภาเสียก่อน

ต่อมาใน พ.ศ. 2556 สมัยที่ ยิ่งลักษณ์ ชินวัตร ดำรงตำแหน่งเป็นนายกรัฐมนตรี ได้มีการทบทวนการศึกษาของโครงการดังกล่าวอีกครั้งร่วมกับโครงการรถไฟความเร็วสูงสายตะวันออก และได้ผลักดันให้สายอีสานกับสายตะวันออกเป็นหนึ่งในสองเส้นทางนำร่องเพื่อก่อให้เกิดการพัฒนาด้านเศรษฐกิจและความสัมพันธ์ระหว่างประเทศ ซึ่งต่อมารัฐบาลจีนได้ยื่นข้อเสนอว่าจะลงทุนเอง 100% โดยแลกกับสัมปทานการบริหารโครงการจากการรถไฟแห่งประเทศไทยเป็นระยะเวลา 50 ปี อย่างไรก็ตามใน พ.ศ. 2557 เกิดเหตุรัฐประหารขึ้นโดยคณะรักษาความสงบแห่งชาติ ทำให้โครงการศึกษาเส้นทางรถไฟความเร็วสูงและโครงการระบบรถไฟฟ้าสายต่าง ๆ ต้องหยุดชะงักลงเพื่อปรับเปลี่ยนโครงสร้างทางการเมือง

เดือนพฤศจิกายน พ.ศ. 2557 รัฐบาล คสช. ได้มีการทำบันทึกความเข้าใจระหว่างหน่วยงานกับรัฐบาลจีนอีกครั้ง เพื่อร่วมกันศึกษาแนวทางการก่อสร้างเส้นทางระบบรถไฟความเร็วสูงสายอีสานภายในระยะเวลาหนึ่งปี ซึ่งต่อมาได้มีข้อสรุปในเดือนพฤศจิกายนของปีถัดมา (พ.ศ. 2558) กล่าวคือรัฐบาลไทยและรัฐบาลจีน จะร่วมกันจัดตั้งกิจการร่วมค้าเพื่อเป็นตัวกลางในการดำเนินโครงการ และรัฐบาลจีนจะเป็นตัวแทนในการจัดหาระบบที่เหมาะสม และดำเนินงานเชิงพาณิชย์และซ่อมบำรุง (O&M) ภายในระยะเวลา 3 ปีแรกนับจากวันที่เปิดให้บริการ ก่อนดำเนินการถ่ายโอนองค์ความรู้ การดำเนินการ งานซ่อมบำรุง และงานต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องใหักับการรถไฟแห่งประเทศไทยภายในปีที่ 4-6 ก่อนที่การรถไฟแห่งประเทศไทยจะเข้าดำเนินการเต็มรูปแบบในปีที่ 7 ของสัญญา ซึ่งต่อมากระทรวงคมนาคมได้มีการลงนามในสัญญาความร่วมมืออย่างเป็นทางการ โดยมีกรอบเงื่อนไขดังต่อไปนี้

1. รัฐบาลไทยจะเป็นผู้ดำเนินการลงทุนด้านงานโยธาทั้งหมดแต่เพียงผู้เดียวภายใต้กรอบวงเงิน 179,000 ล้านบาท
2. รัฐบาลไทยจะเป็นผู้พัฒนาพื้นที่เชิงพาณิชย์ริมทางรถไฟเพื่อให้เกิดกระแสเงินหมุนเวียนภายในประเทศ
3. ผู้รับเหมาก่อสร้าง จะต้องเป็นนิติบุคคลที่จดทะเบียนภายในประเทศไทย
4. วัสดุก่อสร้างจะใช้วัสดุภายในประเทศเป็นหลัก
5. แรงงานก่อสร้างจะต้องเป็นบุคคลสัญชาติไทย ห้ามไม่ให้มีการนำเข้าแรงงานจากประเทศจีน ยกเว้นสถาปนิกและวิศวกรที่อนุญาตให้เป็นสัญชาติจีนเป็นกรณีพิเศษ

โครงการได้แบ่งช่วงการดำเนินการออกเป็นทั้งหมด 4 ช่วง ได้แก่ช่วงกรุงเทพฯ (บางซื่อ) - แก่งคอย และแก่งคอย - นครราชสีมา ที่เริ่มต้นการก่อสร้างเมื่อ 20 ธันวาคม พ.ศ. 2560 โดย พล.อ.ประยุทธ์ จันทร์โอชา นายกรัฐมนตรีเป็นประธานในการเริ่มต้นการก่อสร้าง การก่อสร้างจะแบ่งออกเป็นทั้งหมด 11 ช่วง 14 สัญญาเริ่มจากช่วงกลางดง - ปางอโศก ระยะทาง 3.5 กิโลเมตรเป็นช่วงแรก การก่อสร้างช่วงนี้ล่าช้าไปอย่างมาก จากนั้นทางจีนจะเริ่มจัดส่งแบบช่วงต่อไปมาให้ประเทศไทยตรวจสอบจนครบทั้งโครงการภายในเดือนมิถุนายน พ.ศ. 2561 และการรถไฟแห่งประเทศไทยได้แยกช่วง สถานีกลางบางซื่อ - ท่าอากาศยานดอนเมือง ระยะทาง 14.5 กิโลเมตรออกมาให้เอกชนผู้ชนะของสายตะวันออกเป็นผู้ดำเนินการแทน เพื่อลดข้อครหาเรื่องการใช้ทางร่วมกันระหว่างรัฐบาลไทย รัฐบาลจีน และรัฐบาลญี่ปุ่นที่เข้ามาดำเนินโครงการสายเหนือ คาดว่าจะประมูลครบทั้ง 14 สัญญาภายในต้นปี พ.ศ. 2562 และเปิดดำเนินการได้ใน พ.ศ. 2567 และอีกสองช่วงได้แก่ช่วงนครราชสีมา - หนองคาย และแก่งคอย - คลอง 19 - ฉะเชิงเทรา กำลังอยู่ในระหว่างการออกแบบเส้นทาง