蒙古纵贯铁路在莫斯科和乌兰乌德之间使用西伯利亚铁路原线，然后沿下述路线进入蒙古国和中国：先在西伯利亚铁路分离，途经俄罗斯边境城镇纳乌什基，进入蒙古国的苏赫巴托尔，通过其首都乌兰巴托，再前往蒙古国边境城镇扎门乌德，转轨后进入中国的二连浩特，途经大同进入北京。