Olten ist als wichtiger Eisenbahnknotenpunkt eine typische Eisenbahnerstadt. Die weiträumigen Bahnanlagen des Bahnhofs Olten befinden sich östlich der Aare. In der Stadt treffen die Nord-Süd-Achse Basel–Mailand (Hauensteinlinie, Gotthardbahn), die West-Ost-Achse Genf–St. Gallen (Bahnstrecke Olten–Bern, Jurasüdfusslinie) sowie einige Regionallinien zusammen. Der grosse, repräsentative Bahnhof in Insellage aus dem Jahr 1903 mit Perronhalle ist im System der SBB ein Knotenbahnhof, d. h. immer zur vollen und zur halben Stunde treffen aus allen Richtungen die Züge ein. Dies erlaubt den Reisenden, bequem und rasch umzusteigen. Überwacht wird der Bahnbetrieb durch Fahrdienstleiter in der Betriebszentrale (BZ) Mitte, welche gut sichtbar neben den Perronanlagen untergebracht ist. Aus der am 1. März 2015 in Betrieb genommenen Betriebszentrale Mitte wird der Zugsverkehr auf den nördlichen Gotthard- und Simplon-Zubringern sowie der West-Ost-Verkehr der SBB gelenkt. Die SBB unterhalten zudem an diesem zentralen Punkt im Netz nördlich des Personenbahnhofes einen Rangierbahnhof, der allerdings vergleichsweise klein ist, seit 1927 keinen Ablaufberg mehr besitzt und auf dem seit 2008 keine Zugszerlegung mehr stattfindet, ausserdem mehrere Wartungsbetriebe, so unter anderem das grosse Industriewerk SBB, früher «Hauptwerkstätte» genannt. Im Frühjahr 2011 hat SBB Cargo International ihren Hauptsitz in Olten nahe dem Bahnhof bezogen.

Südlich der Stadt verläuft die Autobahn A1 von Zürich nach Bern, im Westen die Autobahn A2 durch den Belchentunnel nach Basel. Olten leidet unter dem Durchgangsverkehr. In den Stosszeiten kommt es regelmässig zu Staus auf den Einfallstrassen und im Stadtzentrum. Im Jahr 2013 wurde eine grosse Umfahrung («Entlastung Region Olten») eröffnet; sie soll den Verkehr durch die Innenstadt reduzieren.

Der Busbetrieb Olten Gösgen Gäu (BOGG) unterhält ein dichtes Busnetz in Stadt und Umgebung. Die Schweizerische Post betreibt eine Postauto-Linie nach Wolfwil und Oensingen.