集二铁路南起京包铁路的集宁南站，经过白音察干、土木尔台、白银哈尔到朱日和段位丘陵地带。从朱日和向北进入草原，经赛汗塔拉、齐哈日格图至中蒙边境城市二连浩特的二连站止。集二铁路构成了北京-乌兰巴托-莫斯科国际联运干线的中国境内部分，比北京-哈尔滨-满洲里-莫斯科的国际联运干线距离缩短1141公里。铁路沿线人烟稀少，干旱缺水，降雪封冻期每年达到6个月以上。根据中国、蒙古国、苏联三方协定，集二铁路采用1524毫米轨距建设。中国境内部分最初按照1435毫米标准轨距铺设，工程于1954年12月完成铺轨，交付临时运营