Двухэтажные вагоны появились как минимум во второй половине XIX века. Во Франции несколько сотен вагонов à impériale использовались железными дорогами Chemins de fer de l'Ouest, Chemins de fer de l'Est и Chemins de fer du Nord. Верхняя часть была открытой по бокам, а сиденья закрывались лёгкой крышей или тентом. В 1860-х годах М. Ж. Б. Видар представил на Восточных железных дорогах двухэтажные вагоны с цельным кузовом, окнами и дверями. В той же конструкции пол нижнего этажа был опущен, чтобы сохранить низкий центр тяжести. Общая высота вагонов Видара составляла 4,17 м, а высота от пола до потолка в нижней части вагона — всего 1,65 м. Вагоны вмещали 80 человек (третьего класса) и были двухосными, с полной нагрузкой весили 13 тонн. Первые двухэтажные вагоны Chemins de fer de l’État являются ранним примером двухэтажных вагонов.
Чикагская, Берлингтонская и Куинсийская железная дорога в 1950 году ввела в пригородное сообщение двухэтажные вагоны-салоны. Они оказались успешными, и в 1954 году Атчисонская, Топиканская и Санта-Феская железная дорога ввела в эксплуатацию междугородние вагоны-салоны на линии Чикаго — Лос-Анджелес El Capitan.
В 1968 году четыре экспериментальных двухэтажных силовых вагона поступили в эксплуатацию в Сиднее, Австралия, что позволило запустить первый в мире полностью двухэтажный электрический многоместный пассажирский поезд. Двухуровневая конструкция обычно включает в себя опускание нижнего уровня ниже верхнего уровня колёс, ближе к рельсам, а затем добавление верхнего уровня над ним. Такая конструкция подходит для большего количества мостов, туннелей и линий электропередач (габарит конструкции). С точки зрения стоимости и безопасности такая конструкция также минимизирует высоту вагона (габарит погрузки) и снижает центр тяжести.
В зависимости от высоты платформы на железнодорожной станции для входа в вагон можно использовать три конструкции. На высоких платформах требуется конструкция вагона с «разделенным уровнем», где двери расположены на среднем уровне, а доступ на верхний или нижний уровень осуществляется по лестницам или пандусам, ведущим вверх и вниз (иногда такая конфигурация включает в себя секцию сидений на среднем уровне в зоне входа, а двойные уровни есть только на части длины вагона). Для низких платформ железнодорожных станций используется «двухэтажная» конструкция с входом на нижний этаж на одном уровне. Иногда используется третий, очень высокий «двухэтажный надземный» вариант. Это традиционный одноэтажный вагон «со вторым этажом», который при использовании низкой платформы требует подъёма по ступенькам до традиционного уровня пола, а затем по внутренней лестнице на верхний этаж.
Высота платформы определяет высоту входа для предметов, таких как багаж, коляски, инвалидные кресла и велосипеды. Высота платформы в идеале должна быть одинаковой на всех станциях, которые обслуживает поезд. Традиционная высота пола в вагоне важна для торцевых дверей, соединяющихся с существующими одноэтажными вагонами. Высота нижнего этажа в первую очередь определяется толщиной балок, соединяющих пролёт между колёсами и тележками (осями) железнодорожного вагона. Верхний этаж или самый высокий этаж находится над самым низким этажом и должен проходить под мостами и туннелями. Высота входного этажа должна соответствовать высоте платформы. Несмотря на название «двухуровневый» или «двухэтажный», для максимальной совместимости в вагоне может быть до четырёх разных уровней пола. Конструкция с высокой платформой (с использованием наружных ступеней, чтобы избежать ровного входа с платформы) неудобна.
В большинстве двухэтажных поездов с низкой платформой есть вход на нижний уровень вагона, что позволяет использовать инвалидные коляски. В таких «двухэтажных» вагонах есть два уровня (верхний и нижний). Внутри вагона есть лестница между этажами. Соединительные двери между вагонами находятся либо на (более высоком) верхнем этаже, либо на промежуточном уровне над тележками. В первом случае прямое соединение с одноэтажным вагоном приводит к задержкам и проблемам с соединительными дверями.
В западной части США вагоны относятся к типу с верхним расположением дверей. Они используют станции с низкими платформами, потому что в традиционных одноэтажных поездах все двери располагались снаружи, чтобы обеспечить максимальную гибкость (экстренные и временные остановки) и минимизировать затраты на инфраструктуру. Примеров двухэтажных платформ нет, поэтому на верхнем этаже нет дверей на платформу. Высота вагона Pullman-Standard / Bombardier Amtrak Superliner составляет 4928 мм.
Есть несколько очень высоких двухэтажных вагонов (например, Colorado Railcar DMU имеет высоту 6,033 м). Большинство этих вагонов предназначены для низких платформ, поэтому у них есть наружные ступеньки, ведущие к традиционному уровню пола «над колесом», например, 1295 мм в США. Торцевые двери соединяются на традиционном уровне существующего подвижного состава. В некоторых также есть двери на верхнем этаже. Во многих из этих вагонов также есть наружные балконы на верхнем или нижнем этаже. Верхний и нижний этажи соединены внутренней лестницей. Некоторые вагоны являются самоходными многосекционными, поэтому традиционная высота пола кажется фиксированной.