ในแผนระยะแรก รถไฟฟ้าสายสีเหลือง มีแผนเส้นทางเพียงแค่ รัชดาฯ-ลาดพร้าว-สำโรง และมีแผนเส้นทางส่วนต่อขยายจากสถานีสำโรง โดยวิ่งไปตามแนวถนนเทพารักษ์ และข้ามเขตไปยังฝั่งธนบุรีต่อไป แต่เนื่องจากนักวิชาการและประชาชนเล็งเห็นว่า ในส่วนสถานีรัชดาฯ-ลาดพร้าว ควรต่อขยายเส้นทางออกไปจนถึงรถไฟฟ้าบีทีเอส สายสุขุมวิทที่สถานีรัชโยธิน เพื่ออำนวยความสะดวกให้ผู้โดยสารที่ต้องการเดินทางด้วยรถไฟฟ้าบีทีเอส สามารถเดินทางข้ามเขตจากสายสีเหลืองได้ทันที โดยไม่ต้องไปเปลี่ยนสถานีซ้ำซ้อนที่สถานีพหลโยธิน หลังจากมีข้อติในเรื่องดังกล่าว รฟม. ได้ออกแผนศึกษาเส้นทางด่วน และพบว่าเส้นทางดังกล่าวสามารถขยายเส้นทางออกไปได้ แต่ยังไม่มีความพร้อมและหลักประกันผู้โดยสาร จึงคงเส้นทาง รัชดาฯ-ลาดพร้าว-รัชโยธิน ไว้เป็นส่วนต่อขยายต่อไป

ในวันที่ 7 พฤศจิกายน พ.ศ. 2559 กิจการร่วมค้าบีเอสอาร์ ได้ยื่นข้อเสนอพิเศษในการก่อสร้างเส้นทาง รัชดาฯ-ลาดพร้าว-รัชโยธิน ไปพร้อมกับเส้นทางหลัก โดยให้ รฟม. พิจารณาพร้อมกับข้อเสนออื่นๆ ตามเอกสารที่ยื่นประมูลไป โดยเมื่อเสร็จสิ้นทั้งโครงการตามแผน รถไฟฟ้าสายสีเหลืองจะต่อเชื่อมกันเป็นวงแหวนกับรถไฟฟ้าบีทีเอส ช่วงสถานีรัชโยธิน ถึงสถานีสำโรง

นอกจากนี้ รฟม. ยังได้ศึกษาเส้นทางส่วนต่อขยายเอาไว้ทั้งหมดสองระยะเพื่อนำเสนอต่อ สนข. ให้บรรจุลงในแผนแม่บทรถไฟฟ้าระยะที่สอง โดยส่วนต่อขยายทั้งหมดสองส่วนมีดังต่อไปนี้

1. ส่วนขยายช่วงเหนือ (ลาดพร้าว - พหลโยธิน 24 - ประชาชื่น) ระยะทาง 6.9 กิโลเมตร ขยายเพื่อเชื่อมต่อ รถไฟฟ้าบีทีเอส สายสุขุมวิท รถไฟฟ้าชานเมืองสายสีแดงเข้ม และรถไฟฟ้ามหานคร สายฉลองรัชธรรม
2. ส่วนขยายช่วงใต้ (สำโรง - ราษฎร์บูรณะ) ระยะทาง 8.47 กิโลเมตร ขยายเพื่อเชื่อมต่อ รถไฟฟ้ามหานคร สายฉลองรัชธรรม