בסמוך לנתב"ג ממשיך התוואי מעל לכביש 1 בגשר שאורכו 550 מטר. בקצה הגשר ממוקם צומת רכבות (צומת תעופה) שמאפשר לרכבות הבאות מהדרום לפנות לכיוון נתב"ג ולהפך וכך לקיים שירות בין באר שבע לנתב"ג. הקו ממשיך בגשר מעל כביש 40 ועובר מדרום למושבים בן שמן וגנתון ומצפון למושב אחיסמך (כביש מספר 1 עובר מצפון להם), חוצה בגשר את כביש 6, עובר בשתי המנהרות מתחת לגבעה שבה התגלו הקברים ליד כפר דניאל, מנהרה 11 (במספור הישן, מנהרה 23) והמנהרה 10 (במספור הישן, מנהרה 22) ועובר במנהרה 12 (במספור הישן, מנהרה 24) נוספת מתחת לכביש מספר 1 לכיוון כפר דניאל. באזור כפר דניאל הוקם מחלף מסילתי שבו המסילה לירושלים עוברת במנהרת הקשתות (מנהרה 13) אל גשר מס' 1. מעל מנהרת הקשתות עולה שלוחה הממשיכה מזרחה לכיוון מודיעין. שלוחה זו מתוכננת להיות חלק מקו ארוך יותר המקשר בין מודיעין למערב ראשון לציון בין מסלוליו של כביש 431. חיבור זה יאפשר גישה ישירה לירושלים ולמודיעין מהפרוורים הדרומיים של תל אביב ומערים כגון רחובות, נס ציונה ואשדוד, ללא צורך במעבר בתל אביב ובהחלפת רכבת לכיוון ירושלים.
העבודות בקטע נתב"ג-כפר דניאל החלו בשנת 2004 והסתיימו בשנת 2007, אחרי עיכוב משמעותי כתוצאה מגילוי קברים בגבעה הסמוכה למעבר הרכבת, מתחת לכביש מספר 1 לעבר כפר דניאל. כדי להימנע מעימות, החליטה חברת הרכבת לחפור מנהרה מתחת לגבעה זו, ובכך לעכב את פתיחת הקו למודיעין בשנה. הקו למודיעין נפתח לבסוף ב-1 בספטמבר 2007 עד לתחנת הרכבת פאתי מודיעין, וב-1 באפריל 2008 הוארך עד לתחנת הרכבת מודיעין מרכז.
כפר דניאל-ירושלים.
החלק היקר, המסובך והמאתגר ביותר של קו הרכבת המהיר לירושלים מוביל מאזור השפלה עד לקצה הקו בעיר. העבודות על התוואי החלו בשנת 2005 ונגמרו בשנת 2018. כדי לפתור את בעיית השיפועים, ההשפעה על הסביבה והתוואי ההררי הוחלט שרוב התוואי יעבור בשלוש מנהרות. מאזור כפר דניאל ממשיך התוואי לאורך כביש מספר 1 לכיוון לטרון. באזור לטרון חוצה התוואי את עמק איילון באמצעות ויאדוקט באורך 1.2 קילומטר המכונה גשר 6, ומסתיים ממזרח לכביש 3. בקצה הגשר נכנס התוואי למנהרה הראשונה מתוך מערכת של שלוש מנהרות ושני גשרים. המנהרה השלישית, שאורכה 11.6 קילומטר, היא המנהרה הארוכה ביותר בישראל.
המנהרה השלישית מסתיימת באזור מבשרת ציון. שם, דרך מערכת קצרה יותר של מנהרות וגשרים, ממשיך התוואי עד לתחנת הרכבת ירושלים – יצחק נבון שבנייתה החלה ב-2006 ועומקה כ־80 מטרים מתחת לקרקע, בין בנייני האומה והתחנה המרכזית ומתחת לתוואי הרכבת הקלה בעיר.
לצורכי תכנון וביצוע חולק התוואי "כפר דניאל-ירושלים" לארבעה קטעים, כל אחד עם מאפייני בנייה והתקדמות שונים.
קטע א'.
תוואי הקטע הוא בין מחלף ענבה - כביש 3, בין לטרון למבוא חורון ואורכו 8 קילומטרים. הקטע כולל בניית 6 גשרים ומעבר תת-קרקעי. הקטע מתחיל בגשר 1 ומסתיים בגשר 6, באורך 1,250 מטר, כמו כן הקטע כולל שני מעברים תת-קרקעיים (2B ו-2A) שישמשו בעתיד לחיבור מסילה מכיוון ירושלים בקשת רכבתית למודיעין (קשת מודיעין) ולראשון לציון (מסילה לאורך הכביש 431). הקמת הגשרים והמעבר התת-קרקעי 2B הושלמה ב-2009, מעבר התת-קרקעי 2A הושלם חלקית ביולי 2015 (יותר מאוחר הוחלט לא להשתמש בו). בחודש אוגוסט 2015 החלה סלילת מסילת הברזל החל מגשר 6 מערבה לכיוון מחלף ענבה. במקביל, הסתיימה בניית מבנה השו"ב והתחנה התפעולית (התחנה התפעולית איילון). עלות הקטע 250 מיליון ש"ח והקבלנים המבצעים הוא דניה סיבוס וי.ד. עשוש.
קטע ב'.
תוואי הקטע הוא בין לטרון (כביש 3) לשער הגיא ואורכו 4 קילומטרים. הקטע כולל מנהרה כפולה באורך 3.6 קילומטר (מנהרה 1) וגשר באורך 150 מטר (גשר 7). חציבת המנהרות נעשתה באמצעות מכונת TBM והסתיימה באוגוסט 2013 ובנוסף, הושלם ביצוע כל 14 המעברים בין שתי המנהרות. גם בניית גשר 7 הושלמה והקטע מוכן לפריסת מבנה עליון, מערכות וחישמולת. עלות הקטע כ-600 מיליון ש"ח, הקבלן הזוכה הוא מנרב וכריית המנהרה נעשתה בשיתוף עם חברת מוסמטרוסטרוי (Mosmetrostroy) מרוסיה.
קטע ג'.
תוואי הקטע הוא בין שער הגיא לעמק הארזים ליד מבשרת ציון ואורכו 14.5 קילומטרים. הקטע כולל כריית שתי מנהרות שהאחת מהם היא הארוכה בישראל, והקמת שני גשרי רכבת באורך 150 מטר. הקטע נחשב למורכב ועלותו 1,600 מיליון ש"ח. הקבלנים המבצעים שפיר הנדסה, ובכריית המנהרה גם מאיטליה.
המנהרה הראשונה בקטע היא מנהרה 2, 1,200 מטר אורכה, 900 מטר מתוכם נכרו בשיטת מנהור שלבי (NATM) ו-300 מטרים נוספים בשיטת חפירה וכיסוי. ביצוע המנהרה הושלם באפריל 2013.
הגשר הראשון בקטע - גשר 8 מעל נחל יתלה, נבנה בשיטת היציקה המאוזנת עם עמוד מרכזי אחד שלא יורד לתוך ערוץ הנחל ובבנייתו נעשו מאמצים שלא לפגוע בערכי הטבע הרגישים בשטח.
המנהרה השנייה בקטע - מנהרה 3 היא הארוכה בפרויקט ואורכה עומד על 11.6 קילומטר. כרייתה נעשתה באמצעות שתי מכונות TBM במקביל, מכיוון תל אביב לכיוון ירושלים. קטע של מעל 800 מטר נחפר בכל אחת מצמד המנהרות מהכיוון הנגדי בשיטה הקונבנציונלית ובסופו הוקם אולם שיאפשר פירוק של מכונות ה-TBM. ב-25 באוגוסט 2014 הושלמה כריית המנהרה הצפונית, וב-6 באוקטובר 2014 הושלמה כריית המנהרה הדרומית.
העפר שהוצא מהמנהרות שונע על גבי מסוע עד למתחם התפעול שהוקצה לחברת שפיר ליד כביש 1, בסמוך לשער הגיא. לאחר סיום העבודה פונה העפר והאזור שוקם. חלק מן העפר שימש גם להרחבת הכביש.
הגשר השני בקטע - גשר 9 נבנה בין מנהרה 3 למנהרה 3A ממזרח למבשרת ציון. הגשר נבנה בשיטת הדחיקה ובנייתו הושלמה בתחילת אפריל 2014.
קטע ד'.
תוואי הקטע הוא בין עמק הארזים לתחנת הרכבת ירושלים – יצחק נבון, ואורכו 4.3 קילומטר. הקטע כולל את מנהרת A3 (מנהרה כפולה), גשר באורך קילומטר ובגובה של עד כ-86.5 מטר (גשר 10) ומנהרה 4 (האחודה עד קרוב לרציפי התחנה). עלות בניית הקטע כולו הגיעה לכ-910 מיליון ש"ח (כ-750 מיליון ש"ח עבור מנהרות A3 ו-4, וכ-163 מיליון ש"ח עבור גשר 10). הקבלנים המבצעים היו חופרי השרון בשיתוף חברת מגרמניה לכריית מנהרות A3 ו-4, ובניית גשר 10 נעשתה על ידי חברת טר ארמה.
בניית מנהרה A3 הושלמה במאי 2013, ובניית גשר 10 הושלמה בספטמבר 2016. כמו כן הושלם ביצוע מנהרה 4, כולל כריית המנהרה ומנהרות הרציפים.
מערכות המסילה.
קבוצת Electra Bogl JV זכתה במכרז המערכות, מבנה עליון ו-Slab Track למסילת הרכבת המהירה בין תל אביב לירושלים. הקבוצה מורכבת מהחברות אלקטרה חופרי השרון בשיתוף חברת הגרמנית ו-Signon Schweiz AG השווייצרית. הפרויקט כלל הקמת כ-46 קילומטר מסילות ומכלול המערכות השונות (אלקטרו-מכניות, חשמל, אוורור, גילוי וזיהוי אש, בקרה וכדומה), וכמו כן ניהול, פיקוח ואינטגרציה של כלל המערכות המותקנות ומערכות תשתית רכבתיות.
חשמול המסילה.
פרויקט התקנת קווי ההזנה העיליים (OCS) להנעה חשמלית, בניית תחנות השנאה רכבתיות (תה"ר-TS) והקמת שאר המערכות הנלוות בוצע על-ידי חברת SEMI הספרדית. תוואי חשמול המסילה הושלם בשלהי שנת 2019 ונחנך רשמית עם פתיחת קו הנוסעים עד תחנת ההגנה בדצמבר של אותה שנה. בתחילת אפריל 2020 הודיעו על השלמת חשמול קטע מסילה נוסף בין תחנת ההגנה לתחנת סבידור, כך שקו הרכבת החשמלי מירושלים יוכל כעת להסיע נוסעים עד לתחנת סבידור שבמרכז תל אביב. בהמשך הושלם חשמול המסילה עד להרצליה.
עיכובים ומחלוקות.
לאחר השלמת גשר הרכבת מעל עמק איילון, התכוננה רכבת ישראל להמשיך את המסילה לפי התכנון המקורי - מנהרות באורך כולל של 20 קילומטר שיתחלקו על פני חמש מנהרות, דרך הרי ירושלים אל תחנת נבון שנבנתה בעומק 80 מטר מתחת לפני הקרקע. במהלך 2007 כבר נערך מכרז לחפירת הקטע המרכזי בין שער הגיא למבשרת ציון וחברת "שפיר הנדסה" זכתה במכרז המנהור (בעלות שהסתכמה לבסוף בכ-2 מיליארד שקל). אלא שעניינים שונים פגמו בלוח הזמנים המתוכנן.
חריגה תקציבית.
ב-2007 הגישה רכבת ישראל בקשה לתוספת של ארבעה מיליארד ש"ח בשל עלייה בתשומות הבנייה, וביקשה להאריך את לוח הזמנים בשלוש שנים נוספות (עד 2013), כך שתוספת תקציב הפיתוח תתפרס על תקופה ארוכה יותר. במשרד האוצר לא הסכימו לבקשה וטענו כי ברכבת ישראל מבזבזים כספי ציבור. האוצר הקפיא את סלילת המסילה לירושלים, עד שחברת הרכבת תבהיר את הסיבה לכך שהתקציב המבוקש לפרויקט עלה פי שלושה (מכ-2 מיליארד ש"ח לכ-6 מיליארד ש"ח). ביולי 2008, כדי לפתור את המשבר בין חברת הרכבת לאוצר, הוסכם כי תיערך בדיקה נוספת של כדאיותו הכלכלית של הפרויקט.
בנובמבר 2008 הסתיימה בדיקת הכדאיות הכלכלית שעליה הוסכם, אך תוצאותיה לא היו חד-משמעיות. ברכבת פירשו את הדו"ח לטובת הפרויקט והצביעו על כך שצפי ההכנסות מהקו עלה, אך באוצר טענו כי ההוצאה הגדולה לא תתקזז עם ההכנסות. חרף זאת, שר האוצר רוני בר-און ושר התחבורה שאול מופז הסכימו כי השיקול המרכזי הוא טובתה של ירושלים וחיבורה לגוש דן. בר-און האשים את "עבודת המטה הפגומה שבוצעה בשנת 2003, עת התקבלה ההחלטה על ביצוע הפרויקט", שבגללה ניתן אומדן מוטעה, שלפיו עלות הנחת המסילה אינה גבוהה.
מאבק הארגונים הירוקים.