โครงการ รถไฟความเร็วสูงเชื่อม 3 สนามบิน มีโครงการสร้างทับบนเส้นทางเดิมของรถไฟฟ้าเชื่อมท่าอากาศยานสุวรรณภูมิ เพื่อเชื่อมต่อเข้ากับท่าอากาศยานหลักในกรุงเทพมหานครและปริมณฑลทั้งสามแห่ง อันได้แก่ ท่าอากาศยานดอนเมือง ท่าอากาศยานสุวรรณภูมิ และท่าอากาศยานอู่ตะเภา จังหวัดระยอง ซึ่งรวมไปถึงการเชื่อมต่อระหว่างกรุงเทพมหานคร และเขตพัฒนาพิเศษภาคตะวันออก โดยโครงการก่อสร้างมีรายละเอียดดังต่อไปนี้

ระยะที่หนึ่ง (ดอนเมือง - สุวรรณภูมิ - อู่ตะเภา) (เตรียมการก่อสร้าง)

พญาไท - บางซื่อ

• ระยะทาง ระยะทาง 7.8 กิโลเมตร
• พื้นที่ที่เส้นทางผ่าน เขตพญาไท, เขตดุสิต และเขตบางซื่อ กรุงเทพมหานคร
• เส้นทาง หลังจากผ่านสถานีพญาไทเส้นทางรถไฟฟ้าจะค่อย ๆ ลดระดับมาอยู่ในระดับใต้ดินแล้วเลี้ยวขวาวิ่งเลียบพระตำหนักจิตรลดารโหฐาน, คณะแพทยศาสตร์โรงพยาบาลรามาธิบดี ตรงบริเวณถนนกำแพงเพชร 5 ผ่านสถานีรถไฟหลวงจิตรลดา ผ่านสถานีรถไฟราชวิถี และสถานีรถไฟสามเสน แล้วยกระดับกลับไปอยู่ในระดับที่ 4 เพื่อเข้าสู่ชานชาลาที่สถานีกลางบางซื่อ
• ขบวนรถ ให้บริการเฉพาะ City Line

สำหรับส่วนต่อขยายส่วนนี้มีแผนเพื่อที่จะรองรับผู้โดยสารจากทางสถานีกลางบางซื่อ ให้สามารถไปยังสถานีรับส่งผู้โดยสารอากาศยานในเมือง และท่าอากาศยานสุวรรณภูมิต่อไปได้ และผู้โดยสารจากท่าอากาศยานสุวรรณภูมิก็สามารถไปยังสถานีกลางบางซื่อได้เช่นเดียวกัน อย่างไรก็ตามแผนล่าสุดได้มีการยกเลิกการจอดที่สถานีราชวิถี เนื่องจากรถไฟฟ้ามหานคร สายสีส้ม ไม่ได้มาเชื่อมต่อกับโครงการที่สถานีนี้แล้ว จึงไม่มีความจำเป็นที่จะต้องหยุดรถที่สถานีนี้อีกต่อไป

บางซื่อ - ท่าอากาศยานดอนเมือง

• ระยะทาง ระยะทาง 14 กิโลเมตร
• พื้นที่ที่เส้นทางผ่าน เขตบางซื่อ, เขตจตุจักร, เขตบางเขน, เขตหลักสี่ และเขตดอนเมือง กรุงเทพมหานคร
• เส้นทาง หลังจากออกจากสถานีกลางบางซื่อ รถไฟฟ้าจะวิ่งเลียบถนนวิภาวดีรังสิต ตีขนานไปกับทางรถไฟฟ้าชานเมืองสายสีแดงเข้ม ผ่านเขตหลักสี่ ตัดกับแนวเส้นทางรถไฟฟ้าสายสีชมพู บริเวณจุดตัดกับถนนแจ้งวัฒนะ และสิ้นสุดโครงการที่สถานีท่าอากาศยานดอนเมือง ซึ่งสามารถเชื่อมต่อรถไฟฟ้าชานเมืองสายสีแดงเข้มเพื่อไปยังสถานีปลายทางมหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์ได้
• สถานี สถานียกระดับ 1 สถานี
• ขบวนรถ ให้บริการทั้ง City Line และ HST

ลาดกระบัง - อู่ตะเภา

• พื้นที่ที่เส้นทางผ่าน อำเภอเมืองฉะเชิงเทรา, อำเภอบ้านโพธิ์ จังหวัดฉะเชิงเทรา, อำเภอเมืองชลบุรี, อำเภอศรีราชา, อำเภอบางละมุง, จังหวัดชลบุรี, อำเภอบ้านฉาง จังหวัดระยอง
• เส้นทาง หลังจากออกจากท่าอากาศยานสุวรรณภูมิ รถไฟฟ้าจะเลี้ยวขวาแล้ววิ่งไปตามแนวทางรถไฟสายตะวันออก เข้าเขตจังหวัดฉะเชิงเทราแล้วเปลี่ยนเส้นทางไปวิ่งเลียบตามแนวทางรถไฟสายตะวันออกเลียบชายฝั่ง เข้าสู่จังหวัดชลบุรี และเข้าสู่จังหวัดระยอง ก่อนเลี้ยวขวาแล้วลดระดับเป็นรถไฟฟ้าใต้ดินลอดใต้ถนนสุขุมวิท ย่านการค้าท่าอากาศยานอู่ตะเภา และจอดที่ใต้อาคารผู้โดยสาร 3 ท่าอากาศยานอู่ตะเภา จากนั้นออกจากอู่ตะเภาแล้วเลี้ยวขวา ไปสิ้นสุดที่สถานีรถไฟระยอง รวมระยะทาง 193.5 กิโลเมตร แต่เนื่องจากติดปัญหาพื้นที่ควบคุมสิ่งแวดล้อมบริเวณเส้นทางช่วงที่ผ่านนิคมอุตสาหรรมมาบตาพุด ทำให้ต้องมีการศึกษาผลกระทบทางสิ่งแวดล้อมใหม่ เส้นทางช่วงอู่ตะเภา - ระยอง จึงกลายเป็นเส้นทางศึกษาในอนาคตไปแทน ทำให้ระยะทางรวมลดเหลือ 170 กิโลเมตร นับจากสถานีลาดกระบัง
• สถานี 5 สถานี
• ขบวนรถ ให้บริการเฉพาะ HST เท่านั้น โดยแยกเป็น Standard Line เป็นรถโดยสารที่จอดรับ-ส่งผู้โดยสารทุกสถานี และ Airport Express เป็นรถโดยสารที่จะมุ่งตรงไปสถานีท่าอากาศยานอู่ตะเภาเพียงสถานีเดียว

ระยะที่สอง (อยู่ระหว่างการศึกษารายละเอียดเส้นทาง)

อู่ตะเภา - ตราด

• พื้นที่ที่เส้นทางผ่าน อำเภอบ้านฉาง อำเภอเมืองระยอง อำเภอแกลง จังหวัดระยอง, อำเภอเมืองจันทบุรี จังหวัดจันทบุรี, อำเภอเมืองตราด จังหวัดตราด
• เส้นทาง หลังจากออกจากท่าอากาศยานอู่ตะเภา แนวเส้นทางจะเลี้ยวขวา ผ่านนิคมอุตสาหกรรมมาบตาพุด เข้าสู่สถานีรถไฟระยอง และสถานีรถไฟแกลง ข้ามเขตเข้าจังหวัดจันทบุรี เข้าสู่สถานีรถไฟจันทบุรี และสิ้นสุดทั้งเส้นทางที่สถานีรถไฟตราด ในพื้นที่อำเภอเมืองตราด จังหวัดตราด
• สถานีศึกษา 4 สถานี
• ขบวนรถ ให้บริการเฉพาะ HST Standard Line เท่านั้น