Carte du réseau ferroviaire en Nouvelle-Aquitaine organisé autour des principales villes : Bordeaux, Limoges, Poitiers, La Rochelle et Bayonne. La ligne ferroviaire principale est la ligne Paris-Bordeaux via Poitiers et Angoulême, qui se prolonge jusqu’à Hendaye. Cette ligne est LGV jusqu’à Bordeaux depuis 2016. Viennent ensuite la ligne Paris-Toulouse qui passe par Limoges et Brive-la-Gaillarde et la ligne Paris-La Rochelle qui passe par Niort. Le territoire est également quadrillé par des voies secondaires, où circulent principalement des TER Nouvelle-Aquitaine.
La plus grande gare de la région est Bordeaux-Saint-Jean, qui en 2018 accueille plus de seize millions de voyageurs ; viennent ensuite les gares de Poitiers-Centre (2,8 millions de voyageurs en 2016), La Rochelle (1,8 million de voyageurs en 2016), Limoges-Bénédictins et Angoulême (1,6 million de voyageurs en 2016 chacune) et Niort et Libourne (1,2 million de voyageurs en 2016 chacune). La gare d’Agen fait le lien avec la région Occitanie et accueille plus de 1,1 million de voyageurs en 2016. Toutes les autres gares ont desservi moins d’un million de voyageurs en 2016. À noter que la ville de Poitiers dispose d’une deuxième gare, la gare du Futuroscope, desservant la technopole du Futuroscope.
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