Räddningspersonal arbetar på platsen och tågtrafiken i området har ställts in, enligt guvernören.
Det har tidigare förekommit uppgifter om sabotage mot järnvägen i Ryssland och i Belarus under det dryga år som kriget har pågått. Ingen attack i den här omfattningen har dock tidigare bekräftats av ryska tjänstemän.
På sociala medier syns bilder på ett brinnande tåg som ligger i gräset bredvid spåret.
Enligt det statliga järnvägsbolaget inträffade händelsen på måndagen klockan 10.17, lokal tid, mellan staden Unetja och samhället Rassukha i Brjansks västra delar, cirka tio mil från den ukrainska gränsen.
Enligt bolaget spårade loket och sju vagnar ur "efter ingripande av obehöriga personer". Branden var släckt dryga två timmar efter händelsen, enligt uppgifterna.
Aleksandr Drozdenko, guvernör i regionen Leningrad, uppger på måndagen att kraftledningar sprängts i norra Ryssland, i vad säkerhetstjänsten FSB kallar en "sabotagehandling". Händelsen ska ha inträffat nära staden Susanino, cirka sex mil söder om S:t Petersburg.