En modelljärnväg är en skalmodell av en järnväg med dess lok, järnvägsvagnar och räls i förminskad skala. För att betraktas som en modelljärnväg krävs att dessa lok och vagnar kan röra sig längs rälsen. I modelljärnvägen kan det också ingå modeller av stationshus, godsmagasin, lokstall med mera. Även det landskap som järnvägen löper igenom kan återges.
Modelljärnvägar var från 1800-talets slut en mekanisk leksak men har alltmer, framför allt från 1950-talet och framåt, blivit en hobby för vuxna.
Modelljärnvägar förekommer i olika skalor. Den vanligaste skalan är H0 (“H-noll”) (skala 1:87).