日本の場合、大阪市交通局の路面電車で採用されたものが嚆矢である。路面電車ではない普通鉄道の車両では、戦後の近畿日本鉄道におけるビスタカーがその緒であり、高速鉄道である新幹線では1985年に登場した新幹線100系電車のグリーン車と食堂車がその嚆矢である。
1904年（明治37年）に大阪市交通局において製造された5号形電車が日本の路面電車における2階建車両である。展望の良さに、乗客には大好評であったと伝えられている。その後「家の中を覗かれる」という沿線住民の苦情により2階席はほどなくして撤去されたが、大阪市電創業50年記念として1953年（昭和28年）に復元製造され、イベント時に運行された。現在は地下鉄緑木検車区内にある「大阪市電保存館」に静態保存されている（年2回公開）。しかし、集電装置は復元時の運行の便宜のため、実物車両のポールではなく、ビューゲルとしてある。
一方、実車は1913年（大正2年）に2両が松山電気軌道に売却され、海水浴シーズンに納涼台として利用されたが、1924年（大正13年）には能勢電気軌道に売却され、普通の電車に改造されて使用された。その後、同社で廃車となった実車は、台車のみが系列会社である阪急電鉄の宝塚ファミリーランド内にあった「のりもの館」（旧・電車館）で静態保存されていたが、ファミリーランドの閉鎖に伴って大阪市交通局に寄贈され、現在は復元車と同じ「大阪市電保存館」内で保管されている
普通鉄道の2階建車両の日本における最初の事例としては、近畿日本鉄道の「ビスタカー」10000系電車である。そのルーツは、アメリカにおける「ビスタドームカー」と称される中間展望車といわれている。その改良形である10100系電車以来、21000系電車"アーバンライナー"が運行されるまで「近鉄特急=2階建車両"ビスタカー"」というイメージが確立された。
高速鉄道では、1985年（昭和60年）に運行を開始した新幹線100系電車のグリーン車・食堂車が導入された。製造当時は東海道・山陽新幹線で使用された0系電車の交代時期と重なっており、かつ需要自体もやや落ち込んでいた時期であったため、「ゆとり」という点で製造されたといわれている。そのため、最初期の構想図ではフリースペースのラウンジとした案も存在した。
国鉄分割民営化後のJRでは、在来線の車両にもこのような事例が見られるようになった。四国旅客鉄道（JR四国）の5000系電車に眺望目的の2階建車両がある他、北海道旅客鉄道（JR北海道）でもキハ183系気動車に2階建ての付随車があり、「スーパーとかち」や「おおぞら」での運用があった。いずれも2階部分をグリーン席、1階部分を指定制の普通席としている。
特別料金不要で乗車できる車両としては、京阪電気鉄道では特急専用車両である8000系電車（旧3000系電車の30番台を含む）の中間1両に2階建車両を連結している。 なお、これは座席定員の増加も考慮したものでもある。また、首都圏新都市鉄道でも常磐新線（現在のつくばエクスプレス）の最初期の車両イメージに2階建車両のイラストが描かれていた。
また、運転席のある先頭車両に展望席を設けることを意図した車両として、名古屋鉄道の「パノラマカー」7000系電車や3100形「NSE」以降の小田急電鉄「ロマンスカー」、富士急行の2000形電車「フジサン特急」が挙げられる。これらの源流としては、イタリア鉄道の「セッテベロ」が挙げられる
1両あたりの座席数を増やし、乗車定員を確保・増強を行う観点で製造されたのは、東日本旅客鉄道（JR東日本）が1989年（平成元年）に着席サービスが重視されたグリーン車である211系電車の「サロ213・212形車両」と113系電車の「サロ125・124形車両」を投入したのが最初である。
その後、1991年（平成3年）に製造された常磐線で運用のクハ415形1901号車両で普通車に拡大、翌1992年（平成4年）には両先頭車を除く全車両を2階建構造とし、ホームライナー専用車両として215系電車が製造された。なお、同形式については「両先頭車以外の全車両が2階建」という特殊性から、臨時列車を中心に前述した「乗客が眺望を楽しむ目的」も合わせて持つ運用もある。先述の京阪3000系・8000系2階建中間車両も215系電車と同様に座席数増加と眺望を兼ね合わせた目的がある。
グリーン車については、1994年（平成6年）には総武快速線・横須賀線で使用した113系の後継車両であるE217系電車も2階建車両とした。さらに113系・115系の後継として東海道本線東京口、宇都宮線（東北本線）、高崎線、湘南新宿ラインに導入されたE231系電車でも、2004年（平成16年）度から「サロE231・E230形車両」という2階建グリーン車を製造し、前記各線の普通・快速列車を中心に使用している他、サロ125・124形車両が211系に編入されている。
この流れで、常磐線に415系電車とE501系電車の代替として2005年（平成17年）度より導入したE531系電車にも、グリーン車「サロE530・E531形車両」が2006年（平成18年）度より導入された。しかし、先に挙げた普通車2階建車両であるクハ415形1901号車両は廃車対象となる同形式と同じく2005年に廃車となった。
日本の大都市圏の近郊路線において、首都圏のJRグリーン車など一部を除きフランスなど欧米の大都市圏ほどに通勤輸送に使用される2階建車両の投入が進まない理由には、欧米の大都市圏以上に朝夕の列車の混雑が激しい日本の大都市圏、殊に首都圏では2階建車両では段差があるために乗客の乗降や車内での移動に時間がかかり、また日本のJR在来線や私鉄で車両限界の関係から運用される20m車やそれよりも短い車両を2階建にすると、1両に片側3ヶ所以上扉を設けるのは困難であり、ラッシュ時の円滑な乗客の乗降や列車の定時性の確保には、平屋建ての車両に片側3ヶ所以上の扉を設ける方が有効であること、常に多くの立客が出る前提で列車を運行しなければならないため、2階建車両での着席数増加による混雑緩和の効果がそれほど大きくないことと、着席数を増やすよりもむしろロングシートを設けるなどで立席スペースを増やす方が激しい混雑に対処しやすいことが挙げられる。この他、車両限界の関係で、2階建車両では1階・2階ともに天井の低さから立席時の居住性が悪いことも考えられる。
100系新幹線の2階建車とは異なり、純粋に1列車の座席数を増やして乗車定員を確保・増強を行う観点で製造された高速列車（新幹線）用車両は、JR東日本の「Max」シリーズ（E1系電車・E4系電車）であり、フランスのTGV-Duplexも同様の目的である。
寝台列車では、個室等の乗客1人あたりの空間を確保し、なおかつ個室数・寝台数・座席数もある程度確保するため、近年はヨーロッパのシティナイトラインと同様にJRでも2階建車両が導入されている。この事例としては、「サンライズ出雲・瀬戸」285系電車と「カシオペア」E26系客車が運用されている。
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