Theo Báo cáo, tuyến đường sắt tốc độ cao Bắc - Nam bố trí 23 ga hành khách theo nguyên tắc: Phù hợp với hiện trạng, quy hoạch phát triển của địa phương; đặt tại khu vực trung tâm kinh tế, chính trị các địa phương, tiếp cận khu vực trung tâm đô thị, khu vực quy hoạch có tiềm năng tạo ra không gian phát triển mới, khai thác có hiệu quả nguồn lực quỹ đất (từ Hà Nội đến TP Hồ Chí Minh có 19 đô thị có quy mô 500.000 dân trở lên với 2 đô thị đặc biệt và 17 đô thị loại I); bảo đảm khả năng kết nối tốt với hệ thống giao công cộng; bảo đảm khai thác có hiệu quả hạ tầng, phương tiện.
Vị trí các ga đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt trong quy hoạch tỉnh, hướng tuyến dự kiến như sau:
Trong phạm vi TP Hà Nội, hướng tuyến từ ga Ngọc Hồi đi theo hành lang quy hoạch, đến cuối huyện Phú Xuyên tách ra hướng về phía Đông để vòng tránh khu công nghiệp Đồng Văn trên địa bàn huyện Duy Tiên, tỉnh Hà Nam. Tiếp đó tuyến vượt Quốc lộ 1, đường sắt hiện tại đi về phía Đông đường bộ cao tốc về TP Phủ Lý.
Ga Phủ Lý đặt tại xã Liêm Tuyền và xã Liêm Tiết, TP Phủ Lý gần khu vực nút Liêm Tuyền, phía Đông đường cao tốc Bắc - Nam.
Từ sau ga Phủ Lý, tuyến cơ bản đi theo hướng đường sắt hiện tại và Quốc lộ 21 về phía TP Nam Định. Ga Nam Định đặt tại xã Mỹ Hưng, huyện Mỹ Lộc (gần ga Đặng Xá đường sắt hiện tại).
Sau ga Nam Định, tuyến đi về phía Ninh Bình, vượt sông Đáy tại khu vực phía Đông khu công nghiệp Khánh Phú (TP Ninh Bình). Sau khi giao cắt với Quốc lộ 10 hướng tuyến đi song song về phía Đông của đường bộ cao tốc.
Vị trí ga Ninh Bình đặt tại xã Khánh Thượng, huyện Yên Mô, cách nút giao Mai Sơn khoảng 1km về phía Đông, cách trung tâm TP Ninh Bình và ga Ninh Bình tuyến đường sắt hiện tại 7.5km về phía Nam.
Tiếp đó, tuyến đi thẳng về phía Nam, vượt hồ Yên Thắng, tránh khu du lịch sinh thái hồ Đông Thái, sau đó sẽ xuyên qua núi bằng hầm Tam Điệp vào địa phận tỉnh Thanh Hóa.
Từ khu vực núi Tam Điệp, tuyến cơ bản theo hướng Nam, chuyển sang phía Tây Quốc lộ 1A tại khu vực Hà Trung, vượt sông Mã tại vị trí cách cầu Hàm Rồng khoảng 4,3km về phía thượng lưu. Ga Thanh Hóa đặt tại phía Tây TP Thanh Hóa. Tiếp đó, hướng tuyến cơ bản đi song song về phía Đông đường bộ cao tốc, qua khu vực hồ Yên Mỹ, đến khu kinh tế Nghi Sơn. Tại đây có vị trí ga quy hoạch dự kiến.
Tuyến vượt núi Mồng Gà vào địa phận tỉnh Nghệ An. Tiếp đó, tuyến cơ bản đi song song về phía Đông đường bộ cao tốc, qua khu vực Cầu Giát, tuyến có xu hướng đi gần đường sắt hiện tại, vượt núi Thần Vũ, đi về phía Tây tuyến tránh Vinh. Ga Vinh đặt trong phạm vi giữa đường bộ cao tốc và tuyến tránh Vinh hiện tại. Sau đó, tuyến vượt sông Lam đi vào địa phận tỉnh Hà Tĩnh.
Từ Hồng Lĩnh đến TP Hà Tĩnh, tuyến đi gần song song và cách Quốc lộ 1 khoảng 2 - 3km về phía Tây. Vị trí Ga Hà Tĩnh đặt tại khu vực phía Tây thành phố, nằm trên trục đường Hàm Nghi nối vào trung tâm thành phố.
Sau đó tuyến cơ bản bám theo hành lang đường bộ cao tốc đi về phía Vũng Áng. Vị trí Ga Vũng Áng - Hà Tĩnh đặt tại khu vực xã Kỳ Hoa, gần tuyến tránh Kỳ Anh, tại vị trí này có bố trí nhánh kết nối với ga hàng hóa bố trí tại khu kinh tế Vũng Áng. Sau đó, tuyến vượt qua dãy Hoành Sơn đi vào tỉnh Quảng Bình.
Từ núi Hoành Sơn, tuyến đi về phía Nam, men theo hồ Vực Tròn, đi gần song song với hướng tuyến đường bộ cao tốc, tránh vị trí Cồn Sẻ, vượt sông Gianh tại vị trí cách cầu Gianh hiện tại khoảng 5km về phía thượng lưu, tuyến đi về phía Tây TP Đồng Hới.
Ga Đồng Hới đặt tại xã Nghĩa Ninh, TP Đồng Hới cách trung tâm TP Đồng Hới khoảng 4,58km về phía Tây Nam (hoặc xã Lý Trạch, huyện Bố Trạch, cách trung tâm TP khoảng 9,35km về phía Tây Bắc). Tuyến vượt sông Nhật Lệ tại vị trí cách cầu Nhật Lệ của Quốc lộ 1 khoảng 1,3km về phía thượng lưu.
Sau đó tuyến đi về phía Nam, vượt sông Kiến Giang tại vị trí cách cầu Trung Quán khoảng 1,8km về phía Tây, vượt đường sắt hiện tại và Tỉnh lộ 16, qua khu vực thưa dân cư và đất nông nghiệp và vùng đồi thấp các huyện Quảng Ninh, Lệ Thủy sang địa phận tỉnh Quảng Trị.
Từ ranh giới Quảng Bình - Quảng Trị, tuyến cơ bản đi song song với hướng tuyến đường bộ cao tốc, đi về phía Tây các hệ thống hồ lớn (Bảo Đài, La Ngà, Kinh Môn...), tiếp cận Ga Đông Hà đặt tại phía Tây TP Đông Hà (gần trục đường Điện Biên Phủ).
Tiếp theo, tuyến đi thẳng về phía Nam, vượt sông Thạch Hãn cách cầu đường sắt hiện tại khoảng 3,5km về phía thượng lưu, tuyến cách thánh địa La Vang khoảng 2km về phía Tây, vượt sông Ô Lâu sang địa phận tỉnh Thừa Thiên Huế.
Tuyến tiếp tục kết nối phía Tây tỉnh Quảng Trị, sau khi đi qua ga Hải Lăng tuyến rẽ trái cắt qua đường sắt Bắc - Nam, cắt qua Quốc lộ 1, đến địa phận xã Phong Hòa (Thừa Thiên Huế), đi giữa ranh giới Khu Công nghiệp Phong Điền hiện hữu và Quy hoạch Khu công nghiệp Phong Điền mở rộng.
Tuyến vượt sông Hương sang địa phận huyện Phú Vang, cắt qua dự án thương mại kết hợp bến tàu xã Phú Thành, Khu công viên Phò An, cắt qua khu C, D, E của khu đô thị mới An Vân Dương, cắt qua xã Phú Mỹ, đi qua xã Phú Hồ, Phú Lương, cắt qua khu vực quy hoạch thị trấn Phú Đa, đi qua xã Phú Gia, Vinh Hà. Ga Huế đặt tại xã Phú Mỹ, huyện Phú Vang, tỉnh Thừa Thiên Huế.
Tuyến qua khu vực đầm Cầu Hai, vượt Quốc lộ 49B vào khu kinh tế Chân Mây, rẽ phải vượt Quốc lộ 1 và đường sắt hiện tại, qua đèo Hải Vân sang địa phận TP. Đà Nẵng.
Trên địa bàn TP. Đà Nẵng, sau khi vượt đèo Hải Vân, tuyến đi men theo lưu vực sông Cu Đê, đi cùng hành lang, chạy song song về phía Đông đường bộ cao tốc. Vị trí Ga Hòa Vang đặt tại xã Hòa Sơn, huyện Hòa Vang, TP Đà Nẵng, khu vực phía Bắc nút giao giữa đường Bà Nà - Suối Mơ với đường bộ cao tốc.
Sau khu vực nhà ga Đà Nẵng, hướng tuyến vẫn bám theo đường bộ cao tốc, đi kẹp giữa đường bộ cao tốc và đường sắt hiện tại sang địa phận tỉnh Quảng Nam.
Trong đoạn Đà Nẵng - Tam Kỳ, hướng tuyến đi gần song song về phía Đông tuyến đường sắt hiện tại và đường bộ cao tốc. Vị trí Ga Tam Kỳ đặt tại phía Tây, gần tuyến tránh TP Tam Kỳ.
Trên địa phận tỉnh Quảng Nam bố trí Ga hàng hóa Chu Lai tại khu vực giáp ranh xã Tam Hiệp và xã Tam Mỹ Tây, huyện Núi Thành, tỉnh Quảng Nam gần đường ĐT.617. Nhà ga này sẽ phục vụ kết nối với khu vực Cảng hàng không Chu Lai, các cảng biển Kỳ Hà, Dung Quất.
Sau đó tuyến đi về phía Tây đường bộ cao tốc, qua khu vực Dốc Sỏi vào địa phận tỉnh Quảng Ngãi. Tiếp đó, tuyến vẫn đi theo hướng đường bộ cao tốc hiện tại đi về phía TP Quảng Ngãi. Ga Quảng Ngãi đặt tại khu vực phía Tây thành phố, gần trục đường Hoàng Hoa Thám.
Từ ga Quảng Ngãi, tuyến chạy cơ bản song song về phía tây đường sắt hiện tại trên địa phận huyện Nghĩa Hành, vượt sông Vệ tại vị trí cách cầu sông Vệ của đường sắt hiện tại khoảng 2km về phía thượng lưu.
Phạm vi huyện Mộ Đức và Đức Phổ, tuyến chạy giữa đường sắt hiện tại và đường bộ cao tốc. Cuối địa phận thị trấn Đức Phổ, tuyến vượt đường bộ cao tốc, đi về phía Tây vượt đèo Bình Đê và sang địa phận tỉnh Bình Định.
Từ ranh giới với tỉnh Bình Định, tuyến đi cùng hành lang về phía Tây đường bộ cao tốc đến khu vực ga Bồng Sơn, thuộc địa phận xã Hoài Tân và thị trấn Bồng Sơn, huyện Hoài Nhơn. Sau đó tuyến đường sắt vượt qua đường bộ cao tốc, đi về phía TP Quy Nhơn.
Vị trí ga Diêu Trì đặt tại khu vực xã Phước An, huyện Tuy Phước, sau đó vượt đèo Cù Mông sang địa phận tỉnh Phú Yên. Tuyến tiếp tục đi về phía Tây đường bộ cao tốc, đến thị xã Sông Cầu, tuyến đi về phía Đông đường bộ cao tốc.
Đến khu vực TP. Tuy Hòa, có hai phương án tuyến đi vào khu vực trung tâm và đi vòng tránh về phía Tây đô thị. Phương án đi về phía Tây đô thị được lựa chọn, vị trí ga Tuy Hòa đặt tại xã Hòa Thành, thị xã Đông Hòa, cách sân bay khoảng 4,2km về phía Tây. Sau đó tuyến đi cùng hành lang với đường bộ cao tốc, vượt đèo Cả sang địa phận tỉnh Khánh Hòa.
Từ ranh giới với tỉnh Phú Yên, tuyến qua khu vực đèo Cả, Cổ Mã, đi về phía Tây Quốc lộ 1A và đường sắt hiện tại. Vị trí ga Diên Khánh được đặt xã Diên Thạnh, huyện Diên Khánh gần Quốc lộ 27C, cách trung tâm TP. Nha Trang khoảng 11km về phía Tây.
Ga hàng hóa Vân Phong được bố trí tại xã Ninh An, Thị xã Ninh Hòa để đảm bảo đồng bộ, phù hợp định hướng phát triển của khu kinh tế Vân Phong.
Sau đó, tuyến đi chung hành lang với đường bộ cao tốc đoạn Cam Lâm - Vĩnh Hảo, vào địa phận tỉnh Ninh Thuận. Tuyến cơ bản đi trong hành lang giữa Quốc lộ 1A, đường sắt hiện tại và đường bộ cao tốc. Qua TP Phan Rang - Tháp Chàm, tuyến đi song song về phía Đông và cách đường sắt hiện tại khoảng 2km. Ga Tháp Chàm được bố trí tại khu vực phường Phước Mỹ, TP Phan Rang - Tháp Chàm gần vị trí giao Quốc lộ 27.
Sau đó, tuyến đi về phía Nam, qua khu vực Cà Ná vào địa phận tỉnh Bình Thuận. Từ khu vực Cà Ná, tuyến cơ bản đi chung hành lang về phía Đông của đường bộ cao tốc, đi về vị trí ga Phan Rí đặt tại xã Phan Hòa, huyện Bắc Bình, cách trung tâm thị xã Phan Rí Cửa khoảng 5km.
Tiếp theo, tuyến vượt sông Lũy, đi về phía Bắc Dự án điện mặt trời Bình Tân 1, 2, đi về phía Tây núi Tà Zon, đi song song về phía Đông đường sắt hiện tại về Ga Mương Mán thuộc xã Mương Mán, huyện Hàm Thuận Nam đặt cách ga Mương Mán hiện tại khoảng 0,4km, cách trung tâm TP Phan Thiết khoảng 13,2km.
Tiếp đó, tuyến đi song song về phía Đông đường sắt hiện tại, đi về phía Bắc thị trấn Tân Minh, qua phía Bắc khu công nghiệp Tân Đức và đi về phía tỉnh Đồng Nai.
Trên địa bàn tỉnh Đồng Nai tuyến cơ bản đi chung hành lang về phía Đông tuyến đường bộ cao tốc Phan Thiết - Dầu Giây.
Đến địa phận huyện Cẩm Mỹ, tuyến rẽ trái đi vào đường trục trung tâm sân bay quốc tế Long Thành, bố trí thêm nhánh rẽ phải đi dọc theo đường Vành đai 4 lên phía Bắc để kết nối với Ga hàng hóa Trảng Bom phục vụ trung chuyển hàng hóa. Ga hành khách Long Thành đặt tại khu vực trung tâm sân bay thuộc xã Bình Sơn, huyện Long Thành.
Sau đó tuyến đi về phía Nam, dọc theo hành lang tuyến đường cao tốc TP Hồ Chí Minh - Long Thành - Dầu Giây để về Ga Thủ Thiêm là ga cuối của dự án.
Về cơ bản hướng tuyến đề xuất đảm bảo các tiêu chuẩn kỹ thuật đề ra. Riêng một số khu vực do khống chế bởi điều kiện hiện trạng và quy hoạch, yếu tố kỹ thuật tuyến được nghiên cứu chiết giảm trong phạm vi cho phép nhằm giảm thiểu khối lượng giải phóng mặt bằng và tránh các tác động lớn tới quy hoạch địa phương như TP Hà Nội, Vinh, Đồng Nai, TP Hồ Chí Minh.