Theo đề án đường sắt tốc độ cao Bắc Nam, tuyến đường được xây mới đường đôi, khổ 1.435 mm, tốc độ thiết kế 350 km/h, tốc độ khai thác cao nhất 320 km/h đối với tàu đường dài, tốc độ tối đa 250-280 km/h đối với tàu chặng ngắn. Tàu hàng chạy tốc độ 120-160 km/h; tải trọng 22,5 tấn/trục.
Đường sắt tốc độ cao ưu tiên vận tải hành khách trên tuyến và có thể vận tải hàng khác khung giờ khi có nhu cầu. Tuyến đường sắt Bắc Nam hiện hữu được nâng cấp để vận tải hàng, container.
Tuyến đường sắt tốc độ cao đi qua 20 tỉnh, thành và mỗi tỉnh có ít nhất một nhà ga hành khách. Cự ly trung bình giữa các ga khoảng 67 km, trong đó ga ngắn nhất nằm ở đoạn Hà Nam - Nam Định - Ninh Bình, cự ly dưới 45 km. Với cự ly ga như vậy, tàu cao tốc được điều chỉnh biểu đồ chạy tàu hợp lý để đảm bảo đủ cự ly cho các quãng đường tăng tốc, giảm tốc.
Theo đề xuất của đơn vị tư vấn, tàu khách vận hành từ 6h đến 24h hàng ngày. Giai đoạn 1, tàu khách sử dụng đoàn tàu 8 toa công nghệ động lực phân tán với sức chở 610 người trên mỗi tàu. Giai đoạn 2 sử dụng tàu 16 toa với sức chở 1.220 người.
Đơn vị vận hành sẽ bố trí hai loại tàu chạy xuyên suốt Bắc - Nam. Tàu khách nhanh (loại 1) khai thác tốc độ tối đa 320 km/h và dừng đỗ tại một số ga chính trên tuyến như Hà Nội, Vinh, Đà Nẵng, Nha Trang, Long Thành, Thủ Thiêm. Thời gian chạy tàu nhanh toàn tuyến là 5 giờ 20 phút. Trong đó, khu đoạn Hà Nội - Nghệ An mất 56 phút, Nha Trang - TP HCM mất 71 phút.
Tàu khách thường gồm 2A, 2B khai thác tốc độ tối đa 320 km/h, dừng đỗ xen kẽ, có tàu đỗ ở các ga chẵn, có tàu đỗ ở các ga lẻ, thời gian chạy toàn tuyến là 6 giờ 50 phút. Thời gian dừng tại mỗi ga là 2 phút.
Ngoài các loại tàu Bắc Nam kể trên, tuyến sẽ có tàu khai thác trên các khu đoạn (2C) như: Hà Nội - Vinh, Hà Nội - Đà Nẵng, TP HCM - Nha Trang, TP HCM - Đà Nẵng. Thời gian chạy tàu tùy thuộc vào cự ly khai thác của từng khu đoạn.
Tàu hàng chỉ hoạt động khi nhu cầu vận chuyển hàng hóa vượt quá năng lực của đường sắt Bắc Nam hiện hữu. Tàu hàng được khai thác tốc độ tối đa 120-160 km/h, bố trí vận hành khác khung giờ với tàu khách (từ 0h đến 6h), không được cản trở công tác bảo trì đường ray, thiết bị tiếp diễn trên cao và các công trình khác.
Giai đoạn đầu, 2 đôi tàu nhanh và 2 đôi tàu thường được bố trí chạy Bắc Nam; trên mỗi khu đoạn bố trí 2 đôi tàu hàng khai thác nội khu. Giai đoạn sau số đôi tàu khu đoạn tăng lên 5 đôi tàu một ngày đêm. Việc khai thác đoàn tàu 8 toa hay 16 toa sẽ được thay đổi linh hoạt để phù hợp với nhu cầu.
Đơn vị tư vấn đã tính toán đường sắt tốc độ cao Bắc Nam đáp ứng khoảng 133,5 triệu hành khách mỗi năm đối với tàu suốt Bắc - Nam, khoảng 106,8 triệu hành khách mỗi năm đối với tàu khách khu đoạn.
Để phù hợp với khả năng chi trả và thu hút hành khách, vé đường sắt cao tốc chia làm ba mức giá. Dự kiến vé hạng nhất 0,187 USD/km (khoang VIP, tàu dừng ít ga); hạng 2 là 0,078 USD/km; hạng 3 là 0,047 USD/km.
Như vậy, với chặng Hà Nội - TP HCM, dự kiến vé hạng nhất 7,34 triệu đồng; vé hạng 2 là 3,05 triệu đồng; vé hạng 3 là 1,83 triệu đồng. Trong khi đó, giá vé của đường sắt Thống Nhất từ 0,9 triệu đồng (ghế ngồi) đến 1,5 triệu (giường nằm); vé xe khách là 1,1 triệu đồng. Giá vé này không khác biệt lớn với các nước có điều kiện tương đồng với Việt Nam hoặc với tuyến đường sắt dài.
Theo báo cáo nghiên cứu tiền khả thi, tuyến đường sắt tốc độ cao Bắc Nam dài khoảng 1.541 km, trong đó khoảng 60% là cầu, 10% là đường hầm, 30% trên mặt đất có rào chắn. Trên tuyến có 23 ga hành khách, 5 ga tàu hàng, hàng, 5 depot tàu khách, 4 depot tàu hàng, 45 cơ sở bảo trì hạ tầng và khoảng 28,5 km tuyến nối với ga hàng hóa để khai thác chạy tàu hàng khi có nhu cầu.
Đoàn Loan