一般说来，阿里山铁道经过的地形，大致可粗分为平地及山地两段。
平地是从嘉义车站、北门站到竹崎，约有 14.2 公里。沿途经过热带果园、住家。从竹崎起就开始爬坡，缓缓爬升于崇山峻岭间。
当游客搭乘阿里山号火车时，不免会注意到，火车头往往挂在四节车箱后，推着火车走。原来，阿里山铁道是条登山火车，许多设计都是为了更有效率的爬升，同时考虑安全，车头在后方，能防止车箱在爬升过程中脱钩。
阿里山森林铁路
此外，阿里山森林铁道的火车轨道亦较窄，只有76.2 公分，不及台湾一般铁道的三分之二。上山之后，爬坡坡度大，回转半径小，经过的桥梁及隧道特别多，这些都是搭乘阿里山铁路旅行时的特殊体验。
火车通过樟脑寮站后，因前方遭独立山阻挡，于是开始特殊的环绕独立山爬坡。火车不断盘旋而上。往后看，樟脑寮聚落忽左忽右地越来越远，这时，火车正像蜗牛似的，环绕着锥状独立山。先右回两圈，再左回一圈。绕了三圈到山顶后，因为回旋空间太小，火车再以8字形，绕个圈出独立山，继续往阿里山方向登高。 这就是著名的独立山回旋登山。
火车以十四分钟时间，环绕独立山三圈，爬升高度有二百五十公尺。火车行驶此段路线，旅客可以三次欣赏到山下樟脑寮景色，每绕一圈，火车盘旋约一百五十公尺，解决火车盘升时可能往下溜滑的问题。
这项发明是有典故的。当年铁路设计师伤透脑筋，不过，他无意中看到蜗牛，灵感乍现，火车若像蜗牛一样环绕着锥状独立山，就能爬上山顶，这个回旋路线在公路的设计中非常普遍，用在火车铁道，就世界罕见了。
过了独立山，海拔随即跃升到八百公尺的环境，铁路沿线植被也从热带林，变换成暖带林，台湾肖楠、枫树、樟树、二叶松等林立铁道边。 火车飞快登山，经过奋起湖便当王国，休息一阵再出发。经过十字路站后，接近二万坪时，火车缓缓停了下来。
这是第一分道。从这里，火车开始“碰壁”！车长跳下车去，扳转转辙器，火车快速往后倒退。大约十分钟的往后行驶，火车突然又停了下来，往另一坡道上向前开去，疾速往前开。眼看火车要撞到山壁了，火车又停了，这里是第二分道。转辙器一扳，火车再往后退。这样特殊的z字型往返，到沼平车站前共有四次。这就是著名的阿里山火车撞壁。
为什么火车要撞壁呢？原来，阿里山坡陡爬升，火车爬坡的效率有极限。譬如在二万坪，坡度达 6.25%，在短短一百公尺的距离内，火车要爬升6。25公尺。如此困难条件下，折返式铁道 （Switch Back），往返爬升，成为各国登山铁路最常见的一种设计。
