แนวเส้นทางประกอบไปด้วยเส้นทางยกระดับและเส้นทางใต้ดิน มีจุดเริ่มต้นจากสถานีหลักสอง ที่บริเวณด้านหน้าห้างสรรพสินค้าเดอะมอลล์ สาขาบางแค มุ่งหน้าไปทางทิศตะวันออกตามแนวถนนเพชรเกษม เชื่อมต่อกับรถไฟฟ้าบีทีเอส สายสีลมที่สถานีบางหว้า จากนั้นเข้าสู่สถานีท่าพระซึ่งเป็นจุดเชื่อมต่อการเดินทางภายในสายทางเดียวกัน จากนั้นลดระดับลงเป็นรถไฟฟ้าใต้ดิน เข้าสู่สถานีอิสรภาพแล้วลอดใต้แม่น้ำเจ้าพระยาที่ความลึก 38 เมตรจากผิวดิน เข้าสู่สถานีสนามไชย เชื่อมต่อกับรถไฟฟ้ามหานคร สายฉลองรัชธรรมที่สถานีสามยอด จากนั้นมุ่งหน้าไปทางทิศตะวันออกเฉียงใต้ตามแนวถนนเจริญกรุง เข้าสู่ถนนพระรามที่ 4 ที่สถานีหัวลำโพง เชื่อมต่อกับรถไฟฟ้าบีทีเอส สายสีลมอีกครั้งที่สถานีสีลม และมุ่งหน้าต่อจนถึงบริเวณย่านบ่อนไก่ - ตลาดคลองเตย แนวเส้นทางจะเลี้ยวซ้ายมุ่งหน้าไปทางเหนือตามแนวถนนรัชดาภิเษก เชื่อมต่อกับรถไฟฟ้าบีทีเอส สายสุขุมวิท ที่สถานีสุขุมวิท เชื่อมต่อกับรถไฟฟ้าเชื่อมท่าอากาศยานสุวรรณภูมิ และทางรถไฟสายตะวันออกที่สถานีเพชรบุรี เชื่อมต่อกับรถไฟฟ้ามหานคร สายสีส้ม ที่สถานีศูนย์วัฒนธรรมแห่งประเทศไทย มุ่งหน้าไปทางทิศเหนือจนถึงบริเวณสี่แยกรัชดา-ลาดพร้าว เชื่อมต่อกับรถไฟฟ้าสายสีเหลืองที่สถานีลาดพร้าว จากนั้นแนวเส้นทางจะเลี้ยวซ้ายเข้าถนนลาดพร้าว มุ่งหน้าไปทางทิศตะวันตกเฉียงเหนือเข้าถนนพหลโยธิน เชื่อมต่อกับรถไฟฟ้าบีทีเอส สายสุขุมวิท ที่สถานีพหลโยธิน แล้วลอดใต้ถนนวิภาวดีรังสิต เชื่อมต่อกับรถไฟฟ้าบีทีเอส สายสุขุมวิทอีกครั้งที่สถานีหมอชิต เลี้ยวขวาเข้าสู่ศูนย์คมนาคมพหลโยธินตามแนวถนนกำแพงเพชร และยกระดับกลับไปเชื่อมต่อกับรถไฟฟ้ามหานคร สายฉลองรัชธรรมที่สถานีเตาปูน จากนั้นยกระดับข้ามแม่น้ำเจ้าพระยาเข้าสู่พื้นที่ฝั่งธนบุรี แล้วเลี้ยวซ้ายเข้าสู่ถนนจรัญสนิทวงศ์ และมาสิ้นสุดที่สถานีท่าพระ รวมระยะทาง 47.8 กิโลเมตร ก่อให้เกิดเป็นแนวเส้นทางวงแหวนในที่สุด