Đây là tuyến đường sắt đôi, khổ đường lồng 3 ray khổ 1.435mm và 1.000mm hướng tuyến cơ bản trùng với tuyến đường sắt Quốc gia hiện có chiều dài 7,5km, với điểm đầu là phía Nam ga Giáp Bát (phố Đại Từ), điểm cuối tuyến là phía Nam ga Long Biên (phố Lê Văn Linh).
Tuyến đường sắt đi qua địa bàn các quận Hoàng Mai, Thanh Xuân, Đống Đa, Hai Bà Trưng, Hoàn Kiếm và Ba Đình. Tuy nhiên, có 2 đoạn không trùng là đoạn Nam ga Hà Nội từ phố Khâm Thiên đến ngõ Nhà Dầu dài khoảng 230m với tim đường dịch về phía Đông tuyến đường sắt hiện có; đoạn từ phố Trần Phú đến ngã 3 Phùng Hưng - Lê Văn Linh dài 685m, tim tuyến đường sắt dịch chuyển về phía Đông.
Chỉ giới đường đỏ đường sắt đô thị (hành lang ATGT đường sắt đô thị) đối với đoạn thông thường được xác định từ tim đường ra mỗi bên 6,4m. Riêng 5 đoạn đường cong chuyển hướng sẽ mở rộng cục bộ để phù hợp với bán kính đường cong và tốc độ chạy tàu. Đối với chỉ giới đường đỏ các ga đô thị sẽ được xác định trong quy hoạch tổng mặt bằng cụ thể từ ga được UBND TP phê duyệt.
