Theo đó, tuyến đường sắt vành đai phía Đông dài khoảng 65 km, qua các ga thuộc TP Hà Nội gồm: Ngọc Hồi, Trung Màu, Yên Thường, Đông Anh, Bắc Hồng, Thạch Lỗi. Ngoài ra, trên tuyến có ga Hưng Long và ga Lạc Đạo thuộc tỉnh Hưng Yên. Ba ga chính được xây mới là Ngọc Hồi (Thanh Trì), Lạc Đạo (Văn Lâm, tỉnh Hưng Yên) và Thạch Lỗi (Mê Linh).

Tuyến đường này xuất phát từ ga Ngọc Hồi cắt qua quốc lộ 1, đường Pháp Vân - Cầu Giẽ, đi song song ngoài vành đai 4, qua sông Hồng bằng cầu Mễ Sở, kết nối tuyến đường sắt Hà Nội - Hải Phòng tại ga Lạc Đạo. Từ ga Lạc Đạo, tuyến đường vượt sông Đuống, quốc lộ 1 mới, quốc lộ 1 cũ tiến về ga Bắc Hồng - Thạch Lỗi, kết nối với các tuyến đường sắt Hà Nội - Hải Phòng, Hà Nội - Lào Cai, Hà Nội - Đồng Đăng và Hà Nội - Thái Nguyên.

Yên Thường sẽ là ga đầu mối lập tàu hàng phía bắc và Yên Viên là ga đầu mối lập tàu khách khổ 1.000 mm, bổ trợ cho ga Gia Lâm.

Tuyến đường sắt vành đai phía Đông mới dự kiến xây dựng giao cắt khác mức với đường cao tốc, quốc lộ và đường tỉnh. Cụ thể, tuyến đường sắt sẽ chạy vượt trên đường Pháp Vân - Cầu Giẽ, vượt qua đê Tả Hồng, đường tỉnh 199B, cao tốc Hà Nội - Hải Phòng, quốc lộ 5. Ngoài ra, một số đoạn sẽ phải làm hầm chui để vượt qua đường 377, đường huyện 23, đường tỉnh 385.