GSM-R basiert auf der zellulären GSM-Technologie und bietet weitere Verbesserungen speziell für die Anforderungen des Eisenbahnbetriebs, z. B. die Zugsteuerung.
Im Allgemeinen besitzt GSM-R Eigenschaften, die mit GSM identisch oder ähnlich sind, z. B. Frequenzabstand (200 kHz), Modulation (Gauß'sche Minimalphasenlagenmodulation, engl. Gaussian minimum shift keying, GMSK) und Zugangstyp (TDMA, TDD/FDD). Die Frequenzen von GSM-R wurden unterhalb des Frequenzbereich des GSM-900-Standards ausgeweitet.
Die paketvermittelten Dienste (GPRS) für die Datenübertragung mit bis zu 14,4 kbit/s werden von GSM-R genauso unterstützt wie vom gewöhnlichen GSM-System. Sie dienen Spezialanwendungen wie dem Zugsicherungssystem Automatic Train Control (ATC) oder dem European Train Control System (ETCS) für die ferngesteuerte oder automatische Steuerung/Überwachung von Zugbewegungen sowie der funktionellen Adressierung (Anrufen eines Benutzers über eine zugewiesene Funktion anstatt über eine feste Nummer) und ortsabhängigen Adressierung.
Zu den weiteren bahnspezifischen Merkmalen gehören Advanced Speech Call Items (ASCI) wie Voice Group Call Service (VGCS, engl. für Gruppenanruf-Dienst) und Voice Broadcast Service (VBS, engl. für Sprachdurchsagedienst) für die simultane Kommunikation mit einer Gruppe von Mobilgeräten. GSM-R-Mobiltelefone sind gewöhnlichen Mobiltelefonen ähnlich, aber robuster ausgelegt. Sie verfügen weiterhin über zusätzliche Funktionen und eine modifizierte Benutzerschnittstelle, die die Verwendung der zusätzlichen Anwendungen ermöglicht.