ในอนาคต จะมีการพัฒนาทางรถไฟจากทางเดี่ยวเป็นแบบทางคู่ ซึ่งจะก่อสร้างเป็นช่วง ๆ ดังนี้

• บ้านกลับ-ท่าวุ้ง-โคกกระเทียม เป็นทางรถไฟเส้นทางใหม่แบบยกระดับ เพื่อเลี่ยงพระปรางค์สามยอด) (อยู่ระหว่างการก่อสร้าง คาดว่าจะแล้วเสร็จ พ.ศ. 2565)[6]
• ท่าแค-ปากน้ำโพ (อยู่ระหว่างการก่อสร้าง คาดว่าจะแล้วเสร็จ พ.ศ. 2564)[6]
• ปากน้ำโพ-เด่นชัย (โครงการ)
• เด่นชัย-เชียงใหม่ (โครงการ)

นอกจากนี้ยังมีโครงการก่อสร้างรถไฟทางคู่สายใหม่ ได้แก่

• สายเด่นชัย-เชียงราย-เชียงของ
• สายนครสวรรค์-แม่สอด
• สายนครสวรรค์-บ้านไผ่ (เชื่อมต่อกับสายตะวันออกเฉียงเหนือ)