Même si cette réalisation s'accompagnait de la construction d'une nouvelle ligne et d'un véritable service de masse, il convient de noter que sa vitesse n'était que de 210 km/h à l'origine, soit à peine plus que les 200 km/h pratiqués en service commercial par certains TEE à partir de 1965 en Allemagne, et de 1967 en France.
Le 26 février 1981, la rame 16 du TGV obtint un premier record de vitesse sur la LGV Sud-Est à 380 km/h. Ce record de vitesse, pour lequel des dizaines de journalistes avaient été conviés, n'avait pas pour but d'ajouter un nouveau record au palmarès de la SNCF, mais plutôt de rassurer les futurs voyageurs, en montrant que les 260 km/h auxquels ils seraient bientôt transportés pouvaient être atteints en toute sécurité.
Après qu'une rame d'essais allemande InterCityExpress (ICE-V) de la Deutsche Bahn (DB) eut roulé à 406,9 km/h sur la ligne à grande vitesse Hanovre–Wurtzbourg le 1er mai 1988, la SNCF améliora officieusement ce record le 12 décembre 1988 en faisant rouler la rame TGV PSE 88 à 408,4 km/h sur la LGV Sud-Est au cours d'essais de la chaîne de traction synchrone des futurs TGV Atlantique.
Le 18 mai 1990, le TGV a obtenu le record du monde de vitesse sur rail, à 515,3 km/h sur la LGV Atlantique, avec une rame d'essai Atlantique numérotée 325 raccourcie à trois caisses intermédiaires au lieu de dix[6].
Le 3 avril 2007 à 13h15 sur la LGV Est Européenne, la SNCF bat son propre record en parvenant à faire rouler la rame d'essais 4402 à la vitesse de 574,8 km/h (soit 159,4 mètres/seconde). Cette vitesse correspond à Mach 0,47 (pour une température de 15 °C[7]) ! Ce record s'inscrivait dans le cadre du programme « V150 » visant à dépasser la vitesse de 150 m/s (soit 540 km/h). Une rame Duplex composée de trois remorques uniquement avait été spécialement préparée et sa puissance avait été doublée par rapport au TGV classique. Elle possédait des roues d'un diamètre plus important et la voiture au centre de la rame était équipée de bogies motorisés de la future AGV. Pour le reste, ce train était similaire à un train de série SNCF. Durant la phase d'essais, la vitesse de 568 km/h avait déjà été atteinte. Il s'agissait le 3 avril d'obtenir un record de vitesse homologué.
Le TGV a également établi un record d'endurance, le 26 mai 2001 avec le trajet Calais - Marseille (1 067 km) en 3 h 29, lors de l'inauguration de la LGV Méditerranée, avec la rame Réseau n°531.
Il a également établi le 17 mai 2006 un record du monde de la plus longue distance parcourue sans arrêt par un train de voyageurs, en transportant dans une rame Eurostar l'équipe du film Da Vinci Code de Londres à Cannes, soit 1 421 km en 7 h 25[8].
Le TGV reste, en 2007, le train sur rail le plus rapide au monde en service commercial (au Japon, le Maglev détient le record de vitesse pour les trains à sustentation magnétique, et en Chine, le Transrapid de Shanghai a été l'objet d'une exploitation commerciale). Récemment, un parcours type moyen s'établissait à 263,3 km/h de vitesse moyenne de gare à gare[9].