由国家图书馆站沿中关村南大街向北，在4号线魏公村站以南下穿4号线，沿学院南路向东并下穿13号线，到明光桥转向北，沿西土城路、学院路和学清路，下穿三环、四环、五环和清河，再与京藏高速公路并行，到小营桥转向西，最后到13号线上地站附近的上地桥沿13号线和京新高速公路地下并行延长至西二旗站，与13号线和昌平线换乘。北端延长线（又称9号线二期），即原昌平线南延北段与9号线北延组成的新路段，全长17.1公里，设10座车站，在北五环以南东升八家郊野公园设后八家停车场，在学院南路设站与13号线换乘，在北三环蓟门桥设站