Toget var på vei fra North Dakota til Yorktown i delstaten i Virginia da det sporet av med Mount Carbon i West Virginia.
Se kart nederst i saken.
Lasten i de 109 vognene var råolje fra skiferoljefeltene i North Dakota som skulle fraktes til et oljedepot i Yorktown.
Flere av vognene med olje tok fyr og en eller to av vognene havnet i Kanawha River, elven som går ved siden av toglinjen.
Politisersjant Greg Duckworth sier at ni eller ti vogner tok eksploderte med en halvtimes mellomrom, etter at brannen i nabovognen varmet opp oljen i vognen til den tok fyr.
Ett hus tok fyr, men det er ikke meldt om personskader. To landsbyer i nærheten med til sammen 200 mennesker måtte evakueres.
– Opprydningen er ventet å ta flere dager og må vente på at brannen i vognene går ut av seg selv, sier brannkoordinator i Fayette County, Joe Crist, til nyhetsbyrået Reuters.
Andre på tre dager
Ulykken i Mount Carbon var den andre på tre dager der et godstog fullt av olje har tatt fyr i Nord-Amerika.
Lørdag sporet et tog med 100 vogner av i den nordlige delen av den kanadiske provinsen Ontario.
Toget fraktet olje fra tjæresand-feltene i provinsen Alberta. Sju av vognene tok fyr og de brant fortsatt mandag.
Enorm økning i frakt av olje
Den verste ulykken i Nord-Amerika med oljefrakt per tog de siste årene skjedde i juli 2013 da et tog eksploderte ved småbyen Lac-Megantic i den kanadiske delstaten Quebec. 47 mennesker mistet livet i ulykken.
- Alt om:
De siste årene har det vært en eksplosiv økning i tallet på godstog som frakter olje i Nord-Amerika.
Utviklingen av tjæresand-feltene i Canada og oljeskifer-feltene i USA har gjort at olje utvinnes på steder der det ikke er rørledninger til å frakte oljen til forbrukerne.
Oljen fraktes derfor med tog. I Canada økte oljefrakten fra 500 jernbanevogner i 2009 til 140.000 jernbanevogner i 2013, viser tall fra den canadiske jernbanesammenslutningen, Canadian Railway Association.
- Les også:
De to ulykkene på tre dager ventes å øke presset mot myndighetene i de to landene om å skjerpe sikkerhetskravene for oljetransporten, skriver Reuters.