รถไฟฟ้าชานเมือง สายนครวิถี มีแนวเส้นทางในแนวตะวันตก-ตะวันออกของกรุงเทพมหานครและพื้นที่ต่อเนื่อง ตลอดจนจังหวัดบริวารใกล้เคียง มีจุดเริ่มต้นของทั้งโครงการที่สถานีกลางกรุงเทพอภิวัฒน์ ซึ่งเป็นจุดเชื่อมต่อของรถไฟฟ้ามหานคร สายเฉลิมรัชมงคล

ในแนวตะวันตก เส้นทางจะเริ่มจากสถานีกลางกรุงเทพอภิวัฒน์วิ่งขึ้นไปทางเหนือตามแนวทางรถไฟสายใต้ แล้วเลี้ยวซ้ายวิ่งเลียบทางพิเศษศรีรัช เชื่อมต่อกับ รถไฟฟ้ามหานคร สายฉลองรัชธรรม ที่สถานีบางซ่อน จากนั้นวิ่งข้ามแม่น้ำเจ้าพระยาในแนวขนานกับสะพานพระราม 7 ไปจนถึงสถานีตลิ่งชัน แนวเส้นทางจะแบ่งออกเป็นสองส่วน คือส่วนตลิ่งชัน - นครปฐม รถไฟฟ้าจะวิ่งตามแนวทางรถไฟสายใต้ไปจนสิ้นสุดโครงการที่สถานีรถไฟนครปฐม อำเภอเมือง จังหวัดนครปฐม และส่วนตลิ่งชัน - ศิริราช รถไฟฟ้าจะวิ่งไปตามแนวทางรถไฟสายตลิ่งชัน เชื่อมต่อกับรถไฟฟ้ามหานคร สายสีส้ม และรถไฟฟ้ามหานคร สายเฉลิมรัชมงคล ที่สถานีบางขุนนนท์ แล้ววิ่งต่อตามแนวรถไฟฟ้ามหานคร สายสีส้ม เพื่อสิ้นสุดเส้นทางทั้งโครงการที่อาคารรักษาพยาบาลหลังใหม่ของโรงพยาบาลศิริราช ซึ่งเชื่อมต่อกับรถไฟฟ้ามหานคร สายสีส้ม

ในแนวตะวันออก เส้นทางจะเริ่มจากสถานีกลางกรุงเทพอภิวัฒน์วิ่งลงไปทางทิศใต้ตามแนวทางรถไฟสายเหนือ แล้วลดระดับลงเป็นรถไฟฟ้าใต้ดิน จากนั้นเลี้ยวซ้ายวิ่งตามแนวรถไฟความเร็วสูงเชื่อม 3 สนามบิน รถไฟฟ้าแอร์พอร์ต เรล ลิงก์ และทางรถไฟสายตะวันออก ไปจนถึงสถานีพญาไทที่เป็นจุดเชื่อมต่อกับ รถไฟฟ้าบีทีเอส สายสุขุมวิท แนวเส้นทางจะแบ่งออกเป็นสองส่วน คือส่วนพญาไท - ฉะเชิงเทรา รถไฟฟ้าจะวิ่งตามแนวทางรถไฟสายตะวันออกไปสิ้นสุดทั้งโครงการที่สถานีรถไฟชุมทางฉะเชิงเทรา อำเภอเมือง จังหวัดฉะเชิงเทรา เชื่อมต่อกับ รถไฟฟ้ามหานคร สายเฉลิมรัชมงคล ที่สถานีมักกะสัน เชื่อมต่อกับ รถไฟฟ้าสายสีเหลือง ที่สถานีหัวหมาก สามารถเปลี่ยนทางไปรถไฟฟ้าเชื่อมท่าอากาศยานสุวรรณภูมิเพื่อเข้าท่าอากาศยานสุวรรณภูมิ ได้ที่สถานีพญาไท สถานีมักกะสัน สถานีหัวหมาก สถานีบ้านทับช้าง และสถานีลาดกระบัง และส่วนพญาไท - แม่น้ำ รถไฟฟ้าจะวิ่งลงไปตามทางรถไฟสายเข้าโรงกลั่นน้ำมัน ปตท. พระโขนง เชื่อมต่อกับ รถไฟฟ้าบีทีเอส สายสุขุมวิทที่สถานีเพลินจิต รถไฟฟ้ามหานคร สายเฉลิมรัชมงคล และรถไฟฟ้าสายสีเทา ที่สถานีคลองเตย และสิ้นสุดทั้งเส้นทางที่สถานีแม่น้ำ