הקו כולו יפעל במנהרה תת-קרקעית שלא תפריע לתנועה בעיר, ויכלול בניית שתי תחנות-על חדשות: ירושלים-מרכז וירושלים החאן. המיזם מקודם בשיתוף עיריית ירושלים וצוות תוכנית אב לתחבורה. התחנות החדשות יעוצבו כמיצגים סביבתיים המאפיינים את מרקם החיים בירושלים. עם סיומו, תתאפשר הפעלה של 13 רכבות בכל שעה לכל כיוון, שתסענה כ-20 אלף נוסעים מדי שעה.   התחנה הראשונה שתיפתח היא תחנת ירושלים-מרכז, בסמוך לצומת הרחובות המלך ג'ורג ויפו. התחנות יתממשקו עם קווי התחבורה הציבורית במרכז העיר ועם שני קווי הרכבת הקלה - הקו האדום הקיים והקו הכחול המתוכנן לפעול עוד לפני סוף העשור.   תחנת ירושלים-מרכז תאפשר לנוסעים המגיעים מחוץ לעיר ברכבת להמשיך ישירות למרכז העיר ירושלים, ללא צורך ביציאה מתחנת יצחק נבון ומעבר לרכבת הקלה או לאוטובוס, ולהגיע בתוך דקות ספורות למרכזי העסקים ואזורי הבילוי של שוק מחנה יהודה ורחוב יפו, ולשכונת מאה שערים, כיכר הדווידקה ולעיר העתיקה והכותל המערבי.

התחנה הבאה שתוקם היא תחנת החאן, הסמוכה למוקדי תיירות כמו גן הפעמון, מתחם התחנה הישנה ותיאטרון הקרון המחודש. התחנה תקושר בשבילי הליכה קצרים ונוחים אל העיר העתיקה, עם קישוריות מיטבית לכלל אמצעי התחבורה. רחבת הכניסה למבנה התחנה תשמש כשער כניסה מרכזי לצירי התיירות והתרבות באזור, ותאפשר שהייה ותצפית למרחב החדש שייבנה וגישה למבנה התחנה ההיסטורי.   מאז החל לפעול הקו המהיר לירושלים בשנת 2018, בוצעו בו 15 מיליון נסיעות. הקו המהיר לירושלים פועל בימים ראשון עד חמישי 24 שעות ביממה מה (למעט בלילה שבין ימי שלישי ורביעי בו מתבצעות עבודות חיוניות במנהרות) בתדירות של שתי רכבות בשעה עד חצות ולאחר חצות בתדירות של רכבת אחת בכל שעה. בימי שישי ומוצאי שבת פועל הקו בהתאם לזמני כניסת השבת.

מיזם תחנות ירושלים מצטרף למיזמים חשובים נוספים של משרד התחבורה ורכבת ישראל המקודמים כיום, שנועדו לקלוט את הגידול המואץ הצפוי במספר הנסיעות, מכ-70 מיליון נסיעות בשנת 2019, עד מעל 100 מיליון נסיעות בשנת 2025, ועד 300 מיליון נסיעות הצפויות בשנת 2040. בין המיזמים המקודמים בימים אלה: המסילה הרביעית באיילון, המסילה המזרחית ומסילת 431. מיזמים אלה יאפשרו לרכבת ישראל להגדיל את תדירות הנסיעות ולהרחיב את רשת המסילות לאזורים חדשים.