Theo báo cáo nghiên cứu tiền khả thi, tuyến đường sắt này có tổng chiều dài 48,2km, bao gồm 41,8km tuyến chính và 4,4km đường dẫn vào depot (nơi bảo dưỡng, sửa chữa tàu). Tổng mức đầu tư dự án được đề xuất lên đến 84.752 tỷ đồng, tương đương hơn 3,4 tỷ USD (không bao gồm lãi vay).
Dự án sẽ có 20 nhà ga, với 16 ga trên cao và 4 ga ngầm. Tại Đồng Nai, có 12 nhà ga được xây dựng, bao gồm 8 ga trên cao và 4 ga ngầm. Ngoài ra, dự kiến bố trí một depot rộng hơn 21 ha tại xã Cẩm Đường, huyện Long Thành để phục vụ công tác bảo dưỡng.
Với thiết kế tốc độ vận hành tối đa 120km/h, tuyến đường sắt sẽ sử dụng tàu có động lực phân tán (EMU) và dự kiến sẽ hoàn thành vào năm 2030. Dự án được Bộ Giao thông vận tải đề xuất sử dụng vốn ngân sách nhà nước kết hợp với vốn ODA (vốn hỗ trợ phát triển chính thức).
Đường sắt Thủ Thiêm - Long Thành là giải pháp quan trọng nhằm giảm tải cho tuyến cao tốc Long Thành - Dầu Giây hiện đang quá tải và đáp ứng nhu cầu phát triển đô thị sân bay trong tương lai.
Theo đó đến năm 2030, khu vực phía Nam có 4 tuyến đường sắt gồm: Tuyến Biên Hòa - Vũng Tàu từ ga Trảng Bom đến ga Vũng Tàu dài 84km; tuyến Thành phố Hồ Chí Minh - Cần Thơ từ ga An Bình đến ga Cái Răng dài 174km; tuyến Thành phố Hồ Chí Minh - Lộc Ninh từ ga Dĩ An đến biên giới Việt Nam - Campuchia (cửa khẩu Hoa Lư) dài 128km; tuyến Thủ Thiêm - Long Thành từ ga Thủ Thiêm đến sân bay quốc tế Long Thành, dài khoảng 38km.