新建铁路西安至延安线正线引出西安枢纽后跨越渭河在西禹高速东侧设高陵站，跨越西咸北环线与西禹高速公路后继续向北布线，下穿拟建西韩城铁路际在荆山塬合设富平阎良站。出站后逆石川河北上，基本沿富耀一级公路以桥梁工程引线，跨越包茂高速公路后，在铜川新区外环路东设铜川站。出站后采用桥隧工程引线，设 11.106km 长隧道穿越董家塬，以 95m 高桥跨越王家河，在赵家塬南坡设铜川北站，后北上跨越漆水河，以 17.509km长隧道翻越哭泉梁设宜君站，紧坡而下穿越武家塬，向北在黄陵县西侧尧坡设站，以13.60km 长隧道穿越阿党镇，跨越洛河后紧坡而上洛川塬，在县城东侧安民设洛川站，而后紧坡下塬，引线设 16.293km 长隧道下穿青兰高速，在富县北侧袁家坬村新设富县北站，而后主要以桥隧工程在洛河西岸边布线，于既有包西线甘泉北站西侧并站，出站后取直线路以 16.0km 长隧道翻越湫沿山，利用既有包西铁路接入线路终点既有延安站，同时还建包西铁路 6.449km。全线正线线路长度共计 286.954km，其中新建正线长度 281.799km，利用既有包西线长度 5.155km。
本项目南端在西安枢纽与西成高铁、郑西高铁、西宝高铁，及规划的西渝高铁、西武高铁衔接，既可实现与西安市的便捷交流，也可形成直达西南、中南等地区的便捷通道。北端引入延安铁路地区，并预留线路向北延伸条件，承担陕北各地市与西安及以远地区的旅客交流，同时与规划的呼包鄂城际联通，将会成为包头至西安间一条新的快速客运通道。