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, 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. Thời gian chạy tàu nhanh toàn tuyến là 5 giờ 20 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. Ngoài các loại tàu Bắc Nam, tuyến sẽ có tàu khai thác trên các khu đoạn (2C).
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, không được cản trở công tác bảo trì. 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. Đường sắt tốc độ cao Bắc Nam dự kiến 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. 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. 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, 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.
