5.33公里，沿老京张铁路线掘进。列车自西直门的北京北站引出后，渐入地下，避开北京北站至清河站段的地面交通。清华园隧道与北京地铁13号线大致平行，连续下穿北京北三环、知春路、北京地铁10号线、北四环、成府路、清华东路，在地下上跨北京地铁15号线之后，在万泉河以南转出地面，随后下穿北五环沿老京张铁路线向北。