Der Neu- und Ausbau der Rheintalbahn ist ein Bedarfsplanprojekt der Bundesrepublik Deutschland. Bund und Bahn beabsichtigen, die Strecke zwischen Karlsruhe und Basel um zwei zusätzliche Gleise zu erweitern. Die Bundesrepublik Deutschland hat sich 1996 im Abkommen von Lugano gegenüber der Schweiz verpflichtet, den Aus- und Neubau der Strecke zeitgleich mit der schweizerischen Neuen Alpentransversalen (NEAT) abzuschließen, dem landesweiten Schienengroßprojekt der Schweiz zur Verbesserung des Nord-Süd-Güterverkehrs durch die Alpen. Mit dem Ausbau von Schieneninfrastruktur in Deutschland soll die Leistungsfähigkeit des Zulaufs zur NEAT gewährleistet werden.
Überwiegend soll dies parallel zur bestehenden Rheintalbahn geschehen. Nördlich von Offenburg ist der viergleisige Ausbau bereits weitgehend abgeschlossen. Lediglich der schon seit langem planfestgestellte Tunnel auf der Höhe von Rastatt wurde noch nicht realisiert. Südlich von Offenburg bis Basel ist die Ausbaustrecke in 11 Planfeststellungsabschnitte unterteilt. Davon liegen für die ganz im Süden befindlichen Abschnitte Schliengen - Eimeldingen (Bereich des Katzenbergtunnels) seit 2002 und für den Abschnitt Haltingen - Weil am Rhein seit Februar 2010 rechtskräftige Planfeststellungsbeschlüsse vor. Der 9,4 km lange Katzenbergtunnel wurde im Dezember 2012 fertiggestellt, der Abschnitt Haltingen - Weil am Rhein ist im Bau. Für den Planfeststellungsabschnitt 9.3 (Basel Badischer Bahnhof) ist die Finanzierung bereits gesichert; es fehlt noch das Baurecht durch die Schweizer Behörden.
In der Region stoßen die Planungen der Deutschen Bahn AG vor allem wegen des Lärmschutzes und der Trassierung auf erhebliche Widerstände. Das Land Baden-Württemberg und die Region am Oberrhein setzen sich deshalb für eine bessere Planung ein, die mehr Rücksicht auf Mensch und Umwelt nimmt. Über die erforderlichen Verbesserungen beraten Bund, Bahn, Land sowie Vertreter der Region und der Bürgerinitiativen im Projektbeirat Rheintalbahn. Dieser hat drei räumlich aufgegliederte Arbeitsgruppen eingerichtet. Ein Meilenstein auf dem Weg eines menschen- und umweltgerechten Ausbaus der Strecke wurde in der letzten Sitzung des Projektbeirats am 5. März 2012 erreicht. Dort hat der Bund zugesagt, die Kernforderungen 3 (Güterumfahrung Freiburg) und 4 (Bürgertrasse) der Region ganz bzw. im Wesentlichen umzusetzen und die Hälfte der entsprechenden Mehrkosten zu tragen. Das Land hat sich bereit erklärt - vorbehaltlich der Entscheidung des Haushaltsgesetzgebers - freiwillig jeweils die andere Hälfte der Mehrkosten zu tragen.