Betänkandet fokuserar på havsnivåns inverkan på linjen Dawlish till Teignmouth som förbinder Cornwall och Devon med resten av Storbritannien.
Linjen stängdes för två månader 2014 efter att den förstördes av stormar.
Network Rail sade att studien skulle vara "nyckel" till långsiktig utveckling.
I rapporten, som publicerades i Journal of Transport Geografie, sades det att 10 % av resorna på linjen, som återuppbyggdes och återupptogs i april 2014, kunde påverkas av 2040.
Enligt rapporten störde dåligt väder linjen omkring 10 dagar per år, men enligt havsnivåprognoser som kunde stiga till nästan 40 till 2040 och upp till 120 till 2100.
Akademiker från Plymouth University, Leeds universitet och University of York har identifierat en koppling mellan förändringar på havsnivå och järnvägsincidenter under de senaste 150 åren.
Forskarna sade att det kunde finnas liknande konsekvenser för andra sårbara sträckor av järnväg i hela Wales, sydöstra England, Cumbrian kusten och Skottland.
Dr David Dawson, från universitetet i Leeds, sade att den långsiktiga framtiden för linjen var "verkligen oroande".
Rapporten förutspår att omdirigering av rutter skulle kunna kosta miljarder pund.
Network Rail sade att man hoppades utveckla "långsiktiga insatser" för att "säkra framtiden" för linjen.
Department for Transport sade att det hade investerat 31 miljoner pund i att förbättra resiliensen av rutten och "undersökte potentialen för långsiktiga förbättringar i området".
I januari stödde premiärministern en ny Okehampton järnvägsväg som det "mest motståndskraftiga" alternativet till den sårbara Dawlish linjen.
Klimatförändringarna skulle kunna störa upp till en tredjedel av järnvägstrafiken till och från Sydväst inom de närmaste 100 åren, föreslår en undersökning.