รถไฟความเร็วสูงเชื่อม 3 สนามบินเป็นระบบรถไฟฟ้าที่มีทั้งโครงสร้างใต้ดินและยกระดับ และมีระบบรถไฟฟ้าให้บริการสองระบบในเส้นทางเดียว มีแนวเส้นทางที่รองรับการเดินทางจากชานเมืองและจังหวัดใกล้เคียงด้านตะวันออกและชานเมืองด้านทิศเหนือ และผู้โดยสารจากท่าอากาศยานทั้งสามแห่ง เข้าสู่เขตใจกลางเมืองได้อย่างรวดเร็ว แนวเส้นทางเริ่มต้นจากท่าอากาศยานดอนเมืองทางฝั่งทิศเหนือ วิ่งตรงเข้าสู่สถานีกลางบางซื่อโดยไม่จอดรับผู้โดยสารรายทาง และลดระดับลงเป็นรถไฟใต้ดินผ่านพระตำหนักจิตรลดารโหฐาน เลี้ยวขวาวิ่งตามแนวทางรถไฟสายตะวันออก แล้วยกระดับกลับเป็นรถไฟฟ้ายกระดับ เชื่อมต่อกับรถไฟฟ้าบีทีเอส สายสุขุมวิท ที่สถานีพญาไท เชื่อมต่อกับรถไฟฟ้ามหานคร สายสีส้ม ที่สถานีราชปรารภ เชื่อมต่อกับรถไฟฟ้ามหานคร สายเฉลิมรัชมงคล ที่สถานีมักกะสัน เชื่อมต่อกับรถไฟฟ้าสายสีเหลือง ที่สถานีหัวหมาก จากนั้นวิ่งเลียบทางพิเศษระหว่างเมือง กรุงเทพฯ-ชลบุรี ไปจนถึงย่านลาดกระบัง เลี้ยวขวาเข้าพื้นที่ท่าอากาศยานสุวรรณภูมิ แล้วลดระดับลงเป็นรถไฟฟ้าใต้ดิน จากนั้นวิ่งย้อนกลับ ยกระดับเป็นรถไฟฟ้ายกระดับ แล้วเลี้ยวขวาวิ่งเลียบทางพิเศษระหว่างเมือง กรุงเทพฯ-ชลบุรี ตามแนวทางรถไฟสายตะวันออกเข้าสู่สถานีรถไฟชุมทางฉะเชิงเทรา เชื่อมต่อกับสายแยกแก่งคอย - คลอง 19 - ฉะเชิงเทรา เพื่อมุ่งหน้าไปยังสายอีสาน แนวเส้นทางจะเบี่ยงไปตามแนวทางรถไฟสายตะวันออกเลียบชายฝั่ง เข้าสู่สถานีรถไฟชลบุรี เชื่อมกับท่าเรือแหลมฉบังที่สถานีรถไฟชุมทางศรีราชา เชื่อมกับเมืองพัทยาด้วยรถไฟฟ้าโมโนเรล เมืองพัทยาที่สถานีรถไฟเมืองพัทยา แล้ววิ่งตามแนวทางรถไฟสายตะวันออกเลียบชายฝั่งจนถึงช่วงเขาชีจรรย์ แนวเส้นทางจะเบี่ยงออกจากแนวเส้นทางรถไฟเดิมเพื่อตีโค้งเข้าจังหวัดระยองแล้วเลี้ยวขวาเข้าพื้นที่ท่าอากาศยานอู่ตะเภา จังหวัดระยอง จากนั้นวิ่งย้อนกลับแล้วเลี้ยวขวาวิ่งไปตามแนวทางรถไฟสายตะวันออกเลียบชายฝั่งอีกครั้ง ผ่านจังหวัดระยอง จังหวัดจันทบุรี และสิ้นสุดเส้นทางทั้งโครงการที่จังหวัดตราด รวมระยะทางทั้งโครงการ 413.2 กิโลเมตร

แนวเส้นทางต่อจากนี้จะเป็นทางรถไฟความเร็วสูงที่มุ่งตรงไปยังเขตพรมแดนไทย-กัมพูชา แล้วไปต่อยังกรุงพนมเปญ ประเทศกัมพูชา เพื่อเปลี่ยนเส้นทางมุ่งตรงไปยังนครโฮจิมินห์ ประเทศเวียดนาม จากนั้นแนวเส้นทางจะมุ่งขึ้นทางเหนือ ไปยังฮานอย ประเทศเวียดนาม ก่อนจะแยกสายไปยังคุนหมิงและหนานหนิง ประเทศจีน ปัจจุบันในฝั่งเวียดนามกำลังวางแผนก่อสร้างเส้นทางรถไฟความเร็วสูง ฮานอย-โฮจิมินห์ ระยะทาง 1,570 กิโลเมตร ที่เคยยกเลิกไปใน พ.ศ. 2553 ส่วนฝั่งกัมพูชากำลังอยู่ในระหว่างการศึกษาเส้นทางช่วง พนมเปญ-โฮจิมินห์ รวมถึงเส้นทางข้ามพรมแดนไทย-กัมพูชาด้วยเช่นกัน

รูปแบบการให้บริการ

รถไฟความเร็วสูงเชื่อม 3 สนามบิน มีรูปแบบการให้บริการเมื่อแล้วเสร็จทั้งหมดสองรูปแบบ ทั้งแบบรถไฟความเร็วสูง และรถไฟฟ้าเชื่อมท่าอากาศยานสาย City Line โดยแบ่งรูปแบบการให้บริการตามพื้นที่ตั้งของสถานีดังต่อไปนี้

• ช่วงในเมืองและชานเมืองกรุงเทพมหานคร (Urban Area) (จากสถานีดอนเมือง - ท่าอากาศยานสุวรรณภูมิ) : ให้บริการในรูปแบบ รถไฟฟ้าเชื่อมท่าอากาศยาน สาย City Line จากสถานีท่าอากาศยานดอนเมือง - สถานีท่าอากาศยานสุวรรณภูมิ แล้วตีกลับ จอดรับผู้โดยสารตามสถานีรายทางทั้งสิ้น 10 สถานี คือ ท่าอากาศยานดอนเมือง - บางซื่อ - พญาไท - ราชปรารภ - มักกะสัน - รามคำแหง - หัวหมาก - บ้านทับช้าง - ลาดกระบัง - ท่าอากาศยานสุวรรณภูมิ ใช้เวลาเดินทาง 30 นาทีจากดอนเมืองถึงสุวรรณภูมิ รถไฟความเร็วสูงสายตะวันออก กรุงเทพฯ-อู่ตะเภา และ รถไฟความเร็วสูงเชื่อมสนามบิน รับส่งผู้โดยสาร 4 สถานี ได้แก่ ท่าอากาศยานดอนเมือง - บางซื่อ - มักกะสัน และ ท่าอากาศยานสุวรรณภูมิ โดยจำกัดความเร็วสูงสุดที่ 160 กิโลเมตรต่อชั่วโมง ใช้เวลาเดินทาง 20 นาทีจากดอนเมืองถึงสุวรรณภูมิ
• ช่วงพื้นที่ระหว่างเมือง (Rural Area) (จากสถานีท่าอากาศยานสุวรรณภูมิ - สถานีท่าอากาศยานอู่ตะเภา) : ให้บริการในรูปแบบ รถไฟความเร็วสูงสายตะวันออก กรุงเทพฯ-อู่ตะเภา จากสถานีท่าอากาศยานสุวรรณภูมิ - สถานีท่าอากาศยานอู่ตะเภา แล้วตีกลับ จอดรับผู้โดยสารตามสถานีรายทางทั้งสิ้น 6 สถานี คือ ท่าอากาศยานสุวรรณภูมิ - ฉะเชิงเทรา - ชลบุรี - ศรีราชา - พัทยา - ท่าอากาศยานอู่ตะเภา ใช้เวลาเดินทาง 1 ชั่วโมง 40 นาทีจากกรุงเทพมหานคร และ รถไฟฟ้าความเร็วสูงเชื่อมสนามบิน รับส่งผู้โดยสาร 2 สถานี คือ ท่าอากาศยานสุวรรณภูมิ และ ท่าอากาศยานอู่ตะเภา โดยจำกัดความเร็วสูงสุด 250 กิโลเมตรต่อชั่วโมง ใช้เวลาเดินทาง 45 นาทีจากกรุงเทพมหานคร