集宁至大同至原平高速铁路由原大客专、大张客专大同至下米庄段、集大高铁三部分组成，线路全长为296.113公里（包含大张高铁共线段落）。集大段北起京包客专乌兰察布站东端，经内蒙古察哈尔右翼前旗、丰镇市西侧进入山西境内，沿二广高速公路西侧经大同市新荣区引入在建大张高铁大同南站，全长约125公里。大同南站至下米庄段21.6公里为在建大张高铁。大原段起自在建大张高铁怀仁县口毛线（公路）南侧，经应县、山阴县、朔州市，穿越恒山余脉（控制性工程为恒山隧道，全长14.765公里），再经代县、原平，接入大西客专预留樊家庄线路所，全长约148公里。
全线新建线路长度269.317km，其中内蒙古自治区境内72.645km、山西省境内196.672km。共设置车站8座，包括：接轨站2座：乌兰察布、大同南；新建中间站5座：丰镇西、应县西、山阴南、朔州东、代县西；扩建既有站1座：怀仁东线路设计行车标准每小时350公里，项目总投资401.46亿元，建设总工期4.5年，预计2020年开工建设。