Faits: A. Le 6 mars 2006, le canton de Genève et les Chemins de fer fédéraux (ci-après: les CFF) ont requis de l'Office fédéral des transports (ci-après: l'OFT) l'approbation des plans de la nouvelle ligne ferroviaire Cornavin-Eaux-Vives-Annemasse (CEVA). Ce projet consiste en substance à construire une ligne de chemin de fer à double voie de 14 km environ entre la gare de Cornavin et la frontière franco-suisse, avec une nouvelle gare aux Eaux-Vives, quatre stations et plusieurs ouvrages d'art. Les CFF ont la qualité de maître d'ouvrage. Ce projet a été mis à l'enquête publique dans les communes concernées du 11 septembre au 10 octobre 2006 selon la procédure ordinaire d'approbation des plans prévue aux art. 18 ss de la loi fédérale sur les chemins de fer (LCdF; RS 742.101). Le projet a suscité plus de 1'700 oppositions. Le 5 mai 2008, l'OFT a rendu une décision d'approbation des plans au sens des art. 18 ss LCdF pour la construction de la liaison ferroviaire CEVA et a déclaré irrecevables, rejeté ou partiellement admis les oppositions suscitées par le projet. Cette décision accorde aux CFF et à l'Etat de Genève le droit d'exproprier les propriétaires concernés selon les plans d'emprise et les tableaux des droits à exproprier et prescrit que les demandes d'indemnités présentées au cours de la mise à l'enquête seront transmises à la Commission fédérale d'estimation. L'OFT a également accordé diverses dérogations et octroyé les autorisations découlant de l'application du droit fédéral. Enfin, la décision d'approbation des plans est assortie de très nombreuses charges, dont certaines exigent la production de documents (études, projets de détail, etc.) à l'OFT, pour approbation ou pour information, dans des délais de six à douze mois avant le début des travaux. B. De nombreux opposants, parmi lesquels figurent A._ et B._, ont recouru contre la décision de l'OFT auprès du Tribunal administratif fédéral (ci-après: le TAF). Les prénommées sont propriétaires de la parcelle 1945 de Genève-Plainpalais, sise au Chemin des Crêts-de-Champel 8, à hauteur des km 68.393 et 68.950 du projet. Le tracé passe directement sous leur fonds et même sous l'un des immeubles qui y est érigé, et qu'elles occupent. Le projet comporte une expropriation définitive de 4'203 m2 et une occupation temporaire de 1'028 m2. Une servitude personnelle de superficie pour un tunnel ferroviaire, une servitude personnelle d'interdiction de bâtir et une servitude personnelle de tolérance d'exploitation ferroviaire sont également prévues. La parcelle fait au surplus l'objet d'une autorisation de défrichement définitif de 310 m2 et de défrichement temporaire de 1'600 m2. Par arrêt du 15 juin 2011, le TAF a rejeté le recours de A._ et B._ dans la mesure de sa recevabilité. C. Agissant par la voie du recours en matière de droit public, les prénommées demandent au Tribunal fédéral d'annuler l'arrêt du TAF du 15 juin 2011. Elles se plaignent pour l'essentiel d'une violation du droit fédéral et de la garantie de la propriété. Elles invoquent également l'art. 29 al. 1 Cst. relatif aux garanties générales de procédure. Le TAF et les intimés concluent au rejet du recours. L'OFT renvoie à sa décision d'approbation des plans du 5 mai 2008 et renonce à se prononcer sur la présente cause. L'Office fédéral de l'environnement estime que l'arrêt litigieux est conforme au droit fédéral de l'environnement. Par ordonnance du 22 septembre 2011, le Président de la Ire Cour de droit public a admis les requêtes d'effet suspensif contenues dans les recours dirigés contre l'arrêt du TAF en ce sens qu'aucuns travaux de gros oeuvre du tunnel de Champel ne pouvaient être exécutés avant la décision finale du Tribunal fédéral. Les recourantes ont réagi à l'ordonnance précitée par courrier du 17 octobre 2011. Le 28 octobre 2011, elles ont déposé une nouvelle requête d'effet suspensif, complétée le 20 novembre 2011. Par ordonnance du 30 novembre 2011, le Président de la Ire Cour de droit public a admis la nouvelle requête d'effet suspensif des recourantes en ce sens qu'aucun abattage d'arbres ne pourra être effectuée sur leur parcelle avant la décision finale du Tribunal fédéral. Dans leur réplique du 24 janvier 2012, les recourantes ont maintenu leurs conclusions.