เป็นระบบรถไฟฟ้าที่มีโครงสร้างทางวิ่งทั้งระดับดิน (At grade level) ยกระดับ และใต้ดิน ผสมกันตลอดเส้นทาง ดำเนินการโดย บริษัท รถไฟฟ้า ร.ฟ.ท. จำกัด (รฟฟท.) ในลักษณะของการจ้างเดินรถชั่วคราวจากการรถไฟแห่งประเทศไทย มีแนวเส้นทางหลักในแนวเหนือที่ขนานคู่ไปกับทางรถไฟสายเหนือ และใต้ที่ขนานคู่ไปกับทางรถไฟสายแม่กลอง เริ่มต้นจากสถานีรถไฟชุมทางบ้านภาชี อำเภอภาชี จังหวัดพระนครศรีอยุธยา ผ่านตัวเมืองพระนครศรีอยุธยา เข้าสู่จังหวัดปทุมธานี ผ่านนิคมอุตสาหกรรมนวนคร มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์ วิทยาเขตรังสิต มหาวิทยาลัยกรุงเทพ วิทยาเขตรังสิต และมหาวิทยาลัยรังสิต ผ่านตัวเมืองรังสิตเข้าสู่พื้นที่ชานเมืองกรุงเทพมหานครฝั่งเหนือ จากนั้นยกระดับขึ้นเหนือพื้นดินเข้าสู่พื้นที่กองทัพอากาศอันเป็นที่ตั้งของท่าอากาศยานดอนเมือง เข้าสู่ใจกลางกรุงเทพมหานครย่านบางซื่อ อันเป็นจุดเชื่อมต่อกับรถไฟฟ้ามหานคร สายเฉลิมรัชมงคล จากนั้นลดระดับลงเป็นรถไฟฟ้าใต้ดินเพื่อวิ่งผ่านพระตำหนักจิตรลดารโหฐาน เชื่อมต่อกับรถไฟฟ้ามหานคร สายสีส้มที่สถานียมราช รถไฟฟ้าบีทีเอส สายสีลมที่สถานียศเส และรถไฟฟ้ามหานคร สายเฉลิมรัชมงคลที่สถานีหัวลำโพง แล้วมุ่งหน้าลอดแม่น้ำเจ้าพระยาเข้าสู่พื้นที่ฝั่งธนบุรี เชื่อมต่อกับรถไฟฟ้าสายสีทองที่สถานีคลองสาน รถไฟฟ้าบีทีเอส สายสีลมและรถไฟฟ้ามหานคร สายฉลองรัชธรรมที่สถานีวงเวียนใหญ่ จากนั้นยกระดับขึ้นกลับเป็นทางยกระดับเข้าสู่พื้นที่ชานเมืองกรุงเทพมหานครฝั่งใต้ตามทางรถไฟสายแม่กลอง เข้าสู่จังหวัดสมุทรสาครเพื่อผ่านตัวเมืองมหาชัยแล้วมุ่งหน้าข้ามแม่น้ำท่าจีน เพื่อมุ่งหน้าสู่จังหวัดสมุทรสงคราม และตลาดร่มหุบแม่กลอง เพื่อข้ามแม่น้ำแม่กลอง วิ่งคู่ขนานกับทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 3093 เข้าสู่จังหวัดราชบุรี เพื่อสิ้นสุดทั้งเส้นทางที่สถานีรถไฟปากท่อ อำเภอปากท่อ จังหวัดราชบุรี ที่เป็นจุดเชื่อมต่อกับทางรถไฟสายใต้ที่จะมุ่งหน้าสู่ภาคใต้ต่อไป รวมระยะทางทั้งสิ้น 185 กิโลเมตร

พื้นที่ที่เส้นทางผ่าน