2000年1月1日～現

北迴線改良大部分工程於2003年6月底完工，並於7月4日在花蓮舉行電氣化通車典禮，由總統進行開幕剪綵儀式。2005年1月10日的改點中平快車車種不再出現於縱貫線北段，全面被通勤電聯車和復興號取代。七堵調車場改建完成啟用，取代南港調車場成為台鐵客車調度基地。啟用行車調度電話。北迴線全線雙軌化工程完成，列車班次密度得以大幅增加，並且有效縮短台北至花蓮的行車時間；在捷運化方面，台鐵增設多個通勤車站來縮短站距，以便民眾利用就近車站：八堵和基隆之間增設的三坑車站於2005年5月9日啟用。2006年6月1日試辦女性專用車廂；6月28日《中國時報》報導試辦女性車廂效果不佳，台鐵表示尚待評估是否為既定政策；12月1日，女性車廂試辦期結束，台鐵未公告續辦；10月1日台鐵整編非對號列車車種，原有的通勤電聯車、冷氣柴油客車全部統稱為區間車，普通車與平快車全部改編為普快車。12月正式使用行車調度電話。2007年1月5日台灣高速鐵路通車，台鐵配合新建的新烏日及新左營兩車站也於同時啟用，以供乘客轉乘高鐵台中站和高鐵左營站；3月1日配合六家線之新建及內灣線改善工程，內灣線新竹－竹東段暫時停駛；七堵和五堵車站之間增設的百福車站於5月8日啟用； 6月停用舊式無線電站車通訊系統；為了提高宜蘭線服務品質和運轉速度而引進的太魯閣列車於5月8日正式投入營運，為台灣首次引進的傾斜式列車；8月28日EMU700型電聯車加入營運；9月1日「人車同行」試辦；9月28日深澳線再度停駛；汐止和南港之間增設的汐科車站於12月30日啟用。2008年3月9日高雄捷運營運通車；5月拆除站車系統車上設備，全部改為行調電話系統；5月15日台鐵實施年度時刻表調整，太魯閣號和區間快車大幅增班，普通車並同時退出宜蘭線營運，改點幅度為歷年最大；6月20日台北－樹林間共計4站試辦悠遊卡付費；7月1日試辦「旅客攜帶置於攜車袋自行車隨乘」與對號列車「旅客攜帶寵物隨乘」服務；8月1日悠遊卡使用範圍擴大，基隆－中壢間共計19站開放使用悠遊卡付費，部分車站亦同步提供悠遊卡的加值服務；9月21日縱貫線松山汐科段鐵路地下化工程竣工，臺北市內路段全面地下化。2009年6月15日，服役30年的EMU100型自強號電聯車，進行平日最後定期營運，未來除留部分車組動態保存及輔助行駛外，其餘車輛將報廢除籍；6月16日台鐵實施年度改點措施，除縮短區間車行車時間外，也將增加西部幹線直達列車及東部幹線、南迴線運能；8月8日八八水災造成屏東線、南迴線中斷；12月30日八八水災受創最嚴重的屏東線林邊段通車，環島鐵路網恢復；12月31日悠遊卡搭乘台鐵列車試辦合約到期，但悠遊卡公司承諾繼續提供台鐵基隆至中壢間各站乘車旅客悠遊卡服務。2010年3月26日西部幹線基隆－新竹、東部幹線八堵－瑞芳間（暖暖除外）啟用臺灣通電子票證乘車；5月28日因應5月26日晨間，屏東－枋寮間區間車之發生男乘客性侵高中女學生案件，台鐵緊急指定晨間、夜間各級列車之第1節車廂為女性專用車廂；11月23日台鐵多卡通自動驗票閘門於南港車站、松山車站和台北車站正式啟用；12月22日因應沙崙線通車新增70班次及基隆車站改建計畫（基隆站內由8股道縮減為3股道運行），台鐵微調250班次列車時刻，復興號同時於12月21日離開西部幹線。2011年1月配合銜接台南、至高鐵台南站而新建的沙崙線通車，為台鐵自1992年南迴線通車後再次新建路線；1月2日台鐵沙崙支線、公路客運試辦啟用多卡通，悠遊卡正式進入南部交通領域；6月30日台鐵擴大悠遊卡之使用範圍，北部增加侯硐、雙溪、貢寮、福隆等4站，南部則往北延長至南科站（增加保安、大橋、永康、新市、南科）；板橋和樹林車站間增設的浮洲車站也於9月2日完工啟用；9月28日台鐵啟用新式車次編法，對號列車調整為三碼（加班車在車次三碼前加註5），四碼則專供區間車與普快車使用，新版時刻表亦同時啟用；配合銜接新竹市中心至高鐵新竹站而新建的六家線於11月11日完工營運，同時內灣線新竹—竹東段改建完成恢復通車；台鐵擴大悠遊卡、臺灣通之使用範圍，北部增加內灣線的世博（千甲）、竹科（新莊）、竹中、六家、竹東及內灣等6站；12月22日台鐵啟用超商取票服務。2012年3月30日台鐵暖暖站啟用悠遊卡服務；9月28日北湖車站舉行啟用典禮；10月25日－10月26日台鐵向日本採購之TEMU2000型傾斜式電聯車普悠瑪號第一、二編成抵達基隆港；12月18日湖口車站舉行跨站式站房啟用典禮。2013年1月1日：林口線(桃林鐵道)停駛，結束營業；5月1日協助經營林務局擁有之阿里山森林鐵路；5月30日台鐵擴大多卡通之使用範圍，北部向南延伸至苗栗等六站，南部向北延伸至後壁等7站；7月17日竹北車站舉行跨站式站房啟用典禮；8月27日台鐵向日本採購之EMU800型區間電聯車，兩列抵達基隆港（剩餘35列由台灣車輛組裝）；9月30日台鐵擴大多卡通之使用範圍，北部新增平溪線各站、內灣線，南部向北延伸至林內、向南延伸至屏東，多卡通開放皆可使用一卡通；10月25日苗栗車站舉行跨站式站房啟用典禮。2014年1月9日深澳線復駛至海科館車站，當日舉行啟用典禮，次日開放民眾搭乘；1月10日仁德車站舉行啟用典禮；7月16日台東線電氣化完工啟用，本日起大幅改點；8月1日凌晨發生丙烯氣爆事故，導致三多路平交道部分路軌隆起位移，警報號誌及圍籬傾倒，第一臨港線停駛；8月2日上午八時，經高雄市政府應變中心同意，臺鐵高雄工務段、電務段人員進場搶修三多路平交道受損路軌，並於當日下午拆除平交道板；11月2日員林鐵路與車站高架化正式通車。

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