ในแผนระยะแรก รถไฟฟ้าสายสีเหลือง มีแผนเส้นทางเพียงแค่ รัชดาฯ-ลาดพร้าว-สำโรง และมีแผนเส้นทางส่วนต่อขยายจากสถานีสำโรง โดยวิ่งไปตามแนวถนนเทพารักษ์ และข้ามเขตไปยังฝั่งธนบุรีต่อไป แต่เนื่องจากนักวิชาการและประชาชนเล็งเห็นว่า ในส่วนสถานีรัชดาฯ-ลาดพร้าว ควรต่อขยายเส้นทางออกไปจนถึงรถไฟฟ้าบีทีเอส สายสุขุมวิทที่สถานีรัชโยธิน เพื่ออำนวยความสะดวกให้ผู้โดยสารที่ต้องการเดินทางด้วยรถไฟฟ้าบีทีเอส สามารถเดินทางข้ามเขตจากสายสีเหลืองได้ทันที โดยไม่ต้องไปเปลี่ยนสถานีซ้ำซ้อนที่สถานีพหลโยธิน หลังจากมีข้อติในเรื่องดังกล่าว การรถไฟฟ้าขนส่งมวลชนแห่งประเทศไทย หรือ 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 โดยโครงการดังกล่าวจะประกอบไปด้วยสองสถานีเพิ่มเติม คือ สถานีจันทรเกษม ตั้งอยู่ด้านหน้าศาลอาญากลางรัชดา ศาลแพ่งกลางรัชดา และศาลยุติธรรม ใกล้ ๆ กับมหาวิทยาลัยราชภัฏจันทรเกษม และสถานีพหลโยธิน 24 ตั้งอยู่ด้านหน้าสถานีตำรวจนครบาลพหลโยธิน บนที่ดินของการรถไฟแห่งประเทศไทย ซึ่งเมื่อเสร็จสิ้นทั้งโครงการตามแผน รถไฟฟ้าสายสีเหลืองจะต่อเชื่อมกันเป็นวงแหวนกับรถไฟฟ้าบีทีเอส ช่วงสถานีพหลโยธิน 24 ถึงสถานีสำโรง แต่อย่างไรเสีย กลับมีการคัดค้านการเกิดขึ้นของส่วนต่อขยายนี้จาก บริษัท ทางด่วนและรถไฟฟ้ากรุงเทพ จำกัด (มหาชน) หรือบีอีเอ็ม ผู้ให้บริการรถไฟฟ้าสายสีน้ำเงิน เพราะเป็นกังวลว่าส่วนต่อขยายนี้จะทำให้บริษัทเสียรายได้ที่ควรจะได้ จากพฤติกรรมการเดินทางที่เปลี่ยนไปของผู้โดยสาร ซึ่งบีอีเอ็มได้ประเมินไว้ก่อนการลงทุนส่วนต่อขยายสายสีน้ำเงินว่าผู้โดยสารของสายสีเหลืองจะต้องลงที่สถานีลาดพร้าวทั้งหมด เพื่อต่อสายสีน้ำเงินไปยังสายสีเขียวที่สถานีพหลโยธิน-ห้าแยกลาดพร้าว หรือสถานีสวนจตุจักร-หมอชิต แต่การเกิดขึ้นของส่วนต่อขยายนี้ จะทำให้ผู้โดยสารไม่ลงที่สถานีลาดพร้าวทั้งหมด และต่อไปยังสถานีใหม่ที่จะเชื่อมกับสายสีเขียวแทน ซึ่งต่อมา รฟม. ได้มีการประเมินผลกระทบที่จะเกิดขึ้นและพบว่าส่วนต่อขยายนี้จะทำให้ยอดผู้โดยสารของสายสีน้ำเงินลดลงประมาณ 1% ของผู้โดยสารสายสีเหลืองทั้งหมด และจะลดลงเรื่อย ๆ จนถึงปีที่ 30 ของสัญญาสัมปทาน แต่ก็ไม่มีหลักประกันว่าด้วยจำนวนผู้โดยสารเท่านี้ จะสร้างความเสียหายมากมายให้บีอีเอ็ม จึงทำให้บีทีเอสที่เป็นผู้ถือหุ้นใหญ่ ยืนยันว่าจะไม่ชดใช้ค่าเสียหายและค่าเสียโอกาสใด ๆ ให้บีอีเอ็ม

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