รถไฟฟ้าชานเมืองสายสีแดงเข้ม มีแนวเส้นทางในแนวเหนือ-ใต้ของกรุงเทพมหานครและพื้นที่ต่อเนื่อง ตลอดจนจังหวัดบริวารใกล้เคียง มีจุดเริ่มต้นของทั้งโครงการที่สถานีกลางบางซื่อ ซึ่งเป็นจุดเชื่อมต่อกับรถไฟฟ้ามหานคร สายเฉลิมรัชมงคล

ในแนวเหนือ เส้นทางจะเริ่มจากสถานีกลางบางซื่อวิ่งขึ้นไปทางเหนือตามแนวทางรถไฟสายเหนือไปจนพ้นพื้นที่ศูนย์คมนาคมพหลโยธิน รถไฟฟ้าจะวิ่งข้ามทางพิเศษศรีรัช และถนนรัชดาภิเษกช่วงใกล้ ๆ กับทางแยกต่างระดับรัชวิภา จากนั้นเมื่อผ่านสถานีวัดเสมียนนารีไป แนวเส้นทางจะวิ่งเลียบถนนวิภาวดีรังสิต ด้วยการคร่อมบนถนนกำแพงเพชร 6 ซึ่งปรับแก้มาจากแนวเส้นทางเดิมเล็กน้อย เพื่อหลีกเลี่ยงการใช้โครงสร้างร่วมกับโครงการโฮปเวลล์เดิม ระหว่างทางจะเชื่อมต่อกับรถไฟฟ้าสายสีน้ำตาลที่สถานีบางเขน, รถไฟฟ้าสายสีชมพูที่สถานีหลักสี่, รถไฟฟ้าเชื่อมท่าอากาศยาน และรถไฟความเร็วสูง 3 เส้นทาง คือสายเหนือ, สายอีสาน และสายเชื่อม 3 สนามบิน ที่สถานีดอนเมืองบริเวณท่าอากาศยานดอนเมือง จากนั้นแนวเส้นทางจะเบี่ยงกลับไปวิ่งตามทางรถไฟสายเหนือตลอดทางจนกระทั่งสิ้นสุดเส้นทางในส่วนเหนือที่สถานีรถไฟบ้านภาชี อำเภอภาชี จังหวัดพระนครศรีอยุธยา

ในแนวใต้ เส้นทางจะเริ่มจากสถานีกลางบางซื่อวิ่งลงไปทางทิศใต้ตามแนวทางรถไฟสายเหนือ แล้วลดระดับลงเป็นรถไฟฟ้าใต้ดิน เชื่อมต่อกับรถไฟฟ้ามหานคร สายสีส้ม ที่สถานียมราช ก่อนผุดขึ้นมาอยู่ในแนวถนนเพื่อเชื่อมต่อกับรถไฟฟ้าบีทีเอส สายสีลม ที่สถานียศเส และเชื่อมต่อกับรถไฟฟ้ามหานคร สายเฉลิมรัชมงคลอีกครั้งที่สถานีหัวลำโพง จากนั้นแนวเส้นทางจะกลับลงใต้ดินและวิ่งแนวตรงมาทางใต้ตามแนวคลองผดุงกรุงเกษมแล้วลอดใต้แม่น้ำเจ้าพระยาบริเวณปากคลองผดุงกรุงเกษมฝั่งใต้ ใกล้ ๆ กับศูนย์การค้าริเวอร์ซิตี เข้าสู่ฝั่งธนบุรี และลอดใต้โรงแรมมิลเลนเนียม ฮิลตัน กรุงเทพ เข้าสู่ถนนเจริญรัถ เชื่อมต่อกับรถไฟฟ้าสายสีทองที่สถานีคลองสาน จากนั้นวิ่งใต้ถนนเจริญรัถไปจนถึงวงเวียนใหญ่เพื่อเชื่อมต่อกับรถไฟฟ้ามหานคร สายฉลองรัชธรรมที่สถานีวงเวียนใหญ่ แล้ววิ่งต่อตามแนวทางรถไฟสายแม่กลอง เชื่อมต่อกับรถไฟฟ้าบีทีเอส สายสีลมอีกครั้งที่สถานีวุฒากาศ จากนั้นจึงไต่ระดับกลับขึ้นมาเป็นรถไฟฟ้ายกระดับแล้ววิ่งต่อไปตามแนวทางรถไฟสายแม่กลองไปจนถึงสถานีมหาชัยใหม่ อำเภอเมืองสมุทรสาคร จังหวัดสมุทรสาคร จากนั้นเส้นทางจะข้ามแม่น้ำท่าจีนแล้ววิ่งต่อไปตามแนวทางรถไฟสายแม่กลองไปจนถึงสถานีรถไฟแม่กลอง อำเภอเมืองสมุทรสงคราม จังหวัดสมุทรสงคราม แล้วยกระดับข้ามแม่น้ำแม่กลองแล้ววิ่งต่อในแนวขนานกับทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 3093 แล้วสิ้นสุดทั้งโครงการที่สถานีรถไฟปากท่อ อำเภอปากท่อ จังหวัดราชบุรี