Le ferrovie uscirono dalla guerra piegate e in ginocchio. Il parco rotabili era letteralmente devastato, con pochissimi mezzi in grado di circolare e ancora meno in grado di correre: le linee erano danneggiate e l'elettrificazione carente, tanto che parte della trazione dovette essere riaffidata temporaneamente alle vecchie e durevoli vaporiere. Il parco carri aveva sofferto dei bombardamenti, l'80% delle carrozze era inutilizzabile e il 67% delle locomotive non poteva più muoversi: in cinque anni Fiat fornì 5850 carri merci e 455 carrozze, e lavorò alla riparazione di 130 automotrici per fornire un primo sollievo alle martoriate ferrovie. Si puntò ancora sul diesel, con lo sviluppo di automotrici ad alta capacità con monomotori piatti posti sulla cassa: il primo risultato di successo furono le ALn 990, ma furono anche moltissimi i lavori per l'estero: i treni Fiat arrivarono in Argentina, Spagna, India, Grecia, Cuba, Portogallo, Egitto. Per l'Italia si produssero le RALn 60 (1949) e ALn 64 (1955). Le commesse ferroviarie (ormai quasi solo automotrici) erano integrate da veicoli tranviari per le grandi città italiane, Roma, Firenze, Torino, e per Madrid.
Dal 1950 l'azienda ricominciò a lavorare sulle carrozze, fornendo le Carrozze letto Tipo P, carrozze di lusso di difficile costruzione, con carrelli di tipo Schlieren svizzero, poi sostituito con il francese Y24, col tipo Minden-Deutz e infine con il Fiat di 3a generazione: in sette commesse la Compagnie Internationale des Wagons-Lits e le FS ordinarono 174 veicoli. Nel 1951 l'azienda ottenne il prestigioso incarico di costruire il treno reale egiziano, un treno a due casse composto da una motrice da 960 CV su due motori SBB, e da una rimorchiata: in seguito il mezzo venne destinato a servizi turistici dopo il colpo di stato di Muhammad Neghib. Nel 1954 nacque la ALn668, uno dei mezzi di maggior successo della storia delle ferrovie italiane ed europee, nonché dell'azienda che la produsse. In seguito ad un ordine per tre prototipi (commessa Fiat 094) destinati a servire sulle tratte regionali, Fiat costruì le ALn668.1401 - 1403, primi esemplari della più grande serie di automotrici mai costruita, dopodiché partecipò insieme a Breda alla costruzione del numerosissimo gruppo. Dal progetto derivarono anche numerosi mezzi per l'estero.
Le competenze motoristiche di Fiat e il know-how di OM permisero di sviluppare 12 prototipi di locomotive diesel-elettriche in soli 8 anni, dal 1946 al 1954, dimostrando un'inattesa vitalità nel panorama industriale colpito dal conflitto. I prototipi servirono ad esplorare le diverse combinazioni di rodiggio, motore e trasmissione, che arrivarono a sperimentazioni inusuali come le disposizioni di ruote di tipo "Co-Co" o "Ao1Ao-Ao1Ao" (carrelli a tre assi con sei assi motori o con 4 assi motori, due alle estremità di ogni carrello). Si sperimentarono configurazioni di motori diesel veloci o di un solo motore lento, piatti o verticali, con alesaggi differenti e diverso numero di cilindri.
Alcune di queste soluzioni vennero messe in campo in Argentina, per una serie di 280 veicoli costruiti dal Consorzio GAIA, a cui partecipava anche OM. In Italia Fiat produsse 23 unità della serie D.341: anche questi in ben 4 configurazioni diverse, per sperimentare diversi propulsori forniti da vari costruttori, ma dall'elettromeccanica unificata. Il risultato fu positivo per Fiat, che ottenne una parte dell'ordine per altre 85 locomotive di serie da motorizzare con propulsore Fiat Grandi Motori 2312SF; le altre andarono a Breda, che montava motori Paxman 12YLXL costruiti su licenza.
Per le commesse estere Fiat si avvalse dal 1958 di una società speciale, la Fiat Concord costituita in Argentina a Cordoba, e operò su mezzi diversissimi tra loro per scartamento, funzione o classe di servizio. In soli due anni dalla posa della prima pietra la Concord riuscì a produrre il suo primo veicolo. Tra il 1962 e il 1975 furono costruite 1500 carrozze, e la qualità migliorò notevolmente col tempo e con l'esperienza accumulata realizzando le Gran Comfort TEE, le Eurofima e la
Locomotiva D343. Ormai assurta al ruolo di gigante del settore, Fiat Ferroviaria decise di sfidare gli americani sul loro stesso terreno, realizzando una locomotiva diesel-elettrica leggera ma molto potente per il mercato statunitense: nacque quindi nel 1961 la E10011, motorizzata da Mercedes-Benz 820Db, di cui Fiat aveva la licenza di costruzione. Per la parte elettrica si ricorse alla francese Alsthom, un grande nome del mondo delle locomotive.
Questo mezzo segnò l'inizio della lunga collaborazione con Alsthom, inizialmente per la produzione di locomotive per l'esportazione in Polonia, derivanti dalla D.461, ed in seguito (dal 1961 al 1967) per la realizzazione di progetti da destinare a Fiat Concord. Nacquero diversi modelli per le Ferrocarril General Belgrano argentine, tra cui una motrice da 1000 CV e una da 2000 caratterizzata da una aderenza straordinaria.
Il mondo ferroviario stava facendo grandi passi, e nel 1965 Fiat sentì il bisogno di adeguare le proprie tecnologie per raggiungere standard di comfort e prestazioni se non superiori a quelli dei nuovi mezzi superveloci giapponesi, almeno ad essi paragonabili. Il vetusto carrello Tipo 27 ormai già dal 1956/57 era classificato dalla UIC come il peggiore d'Europa, surclassato da modelli più nuovi e prestanti con sospensioni a molle elicoidali in loco delle balestre. Fiat sviluppò nuovi modelli, tra cui il Tipo 24 per le carrozze e il Tipo 1040-920 per le elettromotrici, ma la tecnologia era sempre quella sorpassata dei prodotti precedenti.
Il 24 novembre venne lanciato il Programma calcoli per nuovo carrello per automotrici, basato su due mezzi sperimentali Tipo 7170: obiettivo primario era capire a quali sollecitazioni sarebbe stato sottoposto il sistema carrello-rotaia, e ridurne l'intensità entro parametri accettabili anche ad alte velocità. I primi test di alta velocità in Francia avevano prodotto dati importanti, evidenziando come a 331 km/h un carrello tradizionale danneggiava la rotaia e come era difficile mantenere il contatto con la linea elettrica ad alta velocità.
Il progetto portò alla terza generazione di carrelli (dopo quelli delle littorine degli anni trenta e quelli delle automotrici degli anni cinquanta), inaugurata dal Tipo 7170, dotati di sospensione trasversale grazie alle molle ad elica (Flexicoil integrale). Questa soluzione era assai innovativa, e venne sviluppata per passi su carrelli sperimentali, aumentando le velocità e togliendo passo a passo i vincoli di collegamento tra il carrello e la cassa, fino ad affidare tutto il peso di questa alle sospensioni. Intanto vennero sviluppati modelli teorici ed empirici, simulando le condizioni operative con prove di fatica e cicli di sforzo.
Il progetto rappresentò un salto tecnologico inestimabile per Fiat. Il lancio delle commesse per la costruzione dei treni rapidi Trans Europ Express (TEE) a comfort migliorato fu una immediata possibilità di applicazione per tutto il lavoro svolto sui carrelli sperimentali. I carrelli TEE dovevano sottostare a requisiti molto rigidi, e il nuovo carrello Fiat si dimostrò carente dal punto di vista delle sollecitazioni trasversali, tanto che venne considerato un retrofit del progetto per accogliere i vecchi Tipo 920, o addirittura i Mintzen-Deutz (prodotti dalla concorrenza e poi costruito su licenza).
Appartengono alla terza generazione Fiat quasi tutti i carrelli che hanno equipaggiato i veicoli italiani dal 1970 in poi, e sono evoluzioni dirette del F71 del 1970. Nel 1972 il carrello fu scelto come base per lo sviluppo di un nuovo carrello destinato alle carrozze Eurofima, che sarebbero dovute diventare lo standard internazionale europeo. Il carrello venne aggiornato con innovazioni tecniche tratte dal Tipo Y32 Breda, e venne montato sulle carrozze consegnate a partire dal 1977. Dai carrelli prototipo derivarono delle versioni per automotrici elettriche, poi usati sulle ALe 644 e 724 (Tipo 7219).
Sempre nel 1970 Fiat capitalizzò le esperienze del Programma calcoli per intraprendere la sua più grande sfida tecnica, quella che avrebbe consacrato di fatto il nome del costruttore nella storia delle ferrovie: la costruzione del primo treno passeggeri a cassa pendolante attiva, il Pendolino.
Tra i carrelli sviluppati dal Programma calcoli vi era il Tipo 7199 Prototipo Pendolino, nato nel 1970 dopo una lunga gestazione cominciata nel 1966, che avrebbe poi equipaggiato in versione di serie la prima generazione di veicoli a cassa pendolante, costituita da quell'unico ETR401 entrato in servizio.
Nel 1979 Fiat tornò a lavorare sulle locomotive pesanti, questa volta elettriche, dopo una serie di lavori di sperimentazione ed adattamento (tra cui il principale è lo studio del comando a chopper sulla E444.005). Dal lavoro sulle E444 si ottenne l'esperienza necessaria per lo sviluppo dei prototipi del nuovo gruppo E633, una locomotiva merci a passo corto a controllo elettronico che poi avrebbe dato vita anche al gruppo a passo normale E632.
Il 19 ottobre 2000 GEC-Alstom comunica di aver acquisito il 51% di Fiat Ferroviaria, per 147 milioni di euro. Nell' aprile 2002 viene acquistato anche il rimanente 49% per 154 milioni, ereditando gli stabilimenti di Savigliano, Colleferro e Sesto San Giovanni. In questi stabilimenti ora si producono i Minuetto, l' ETR 600, i Coradia-LINT, gli X'Trapolis.