按重載列車的作業組織方法區分，鐵路重載運輸有以下三種模式： 
　　單元式重載列車——是把大功率機車雙機或多機與一定編成輛數的同類專用貨車固定組成一個運輸“單元”，并以此作為運營計費的單位。機車操縱采用無線遙控同步運轉系統，運送的貨物品種單一，在裝、卸站間往返循環運行，中途列車不拆散，不進行改編作業，機車車輛固定編掛位置，車底固定回空，兩端車站裝卸設備配套，是裝、運、卸“一條龍”的運輸組織形式。 
　　在路網規模大、行車密度小、貨運比重大、運能較富裕的美國、加拿大、澳大利亞等國，組織開行從裝車地到卸車地之間的重載單元列車，通過貨物集中發送、快速裝卸、加速機車車輛周轉來降低成本，從而獲得較大的效益，提高了與其他運輸方式的競爭能力。美國的重載單元列車，牽引總重在10000噸以上，是名副其實的萬噸列車，并曾創造總重達44066噸的世界最高紀錄。 
　　組合式重載列車——是由兩列及其以上同方向運行的普通貨物列車首尾相接、合并組成的列車。機車分別掛于各自的貨物列車首部，由最前方貨物列車的機車擔任本務機車，運行至前方某一技術站或終到站后，分解為普通貨物列車。它實質上是在線路通過能力緊張的區段，利用一條運行線行駛兩列及以上的普通貨物列車的一種擴大運輸能力的方式。 
　　前蘇聯鐵路是客貨混用，列車數量多、行車密度大，運能與運量的矛盾比較突出，為擴大運輸能力、挖掘現有設備潛力，即組織開行超重、超長列車或組合式列車，并成功地試驗開行了總重43047噸的重載列車。 
　　整列式重載列車——是由大功率單機或多機重聯牽引，列車由不同型式和載重的貨物車輛混合編組，達到規定重載標準(牽引重量達到5000噸及其以上)的列車。目前，中國繁忙干線上開行的重載列車主要為這種模式。