长株潭城际铁路走向为“人”字形,从长沙站南端引出后,向南经暮云分岔,分别接入株洲、湘潭站;向西过湘江至雷锋大道。西向线路在长沙城区内由长沙站北段引出后并行京广铁路,于德雅路前以隧道方式进入地下,向西下穿东风路、芙蓉北路,沿开福寺路西行,穿过湘江后沿杜鹃路经长沙市政府北侧至雷锋大道站。南向线路由长沙站南段引出后,向南在树木岭附近以隧道方式进入地下,穿行12.64千米后从汽车南站附近出隧道,以高架桥形式沿老107国道、芙蓉南路引入暮云站。线路从暮云站向南引出后分岔:一条沿京广铁路东侧以高架桥形式经白马垄,沿株洲市红旗路至白石港,下穿新华西路引入既有株洲站后向南走地面延伸至七斗冲;另一条向西跨京广铁路,以高架桥形式过昭山,沿芙蓉大道东侧经荷塘,过板塘,跨湘江接入湘潭站。