Kernstück des Projektes ist der rund neun Kilometer lange Brüttenertunnel. Der Tunnel verläuft unterirdisch und in zwei Röhren mit je zehn Meter Durchmesser. Ein Tunnelportal liegt östlich von Bassersdorf, ein zweites bei Dietlikon. Die beiden Tunneläste werden zusammengeführt und kommen bei Tössmühle vor Winterthur wieder an die Oberfläche. Diese Linienführung ist die schnellste und leistungsstärkste Verbindung zwischen Zürich und Winterthur, da sowohl Zürich Flughafen (via Bassersdorf) als auch Zürich HB (via Dietlikon) direkt an Winterthur angebunden sind.
Da der Tunnel über zwei Röhren verfügt, ist ein separater Flucht- und Rettungsstollen zur Evakuierung von Passagieren nicht nötig. Die beiden Röhren sind mit 20 Querschlägen verbunden. Durch diese Verbindungen können sich Reisende retten, sollte es einen Vorfall geben. Beim jedem Tunnelportal ist ein Interventions- und Rettungsplatz sowie ein Bahntechnikgebäude geplant.
Zur Einbindung der beiden neuen Gleise ins SBB-Netz braucht es Anpassungen an der Bahninfrastruktur.
Winterthur.
Der Brüttenertunnel kommt bei Tössmühle vor Winterthur an die Oberfläche. Von dort werden die beiden zusätzlichen Gleise in das bestehende Gleisfeld eingebunden und bis zum Bahnhof Winterthur weitergeführt. Beim Tunnelportal sind ein Bahntechnikgebäude, ein Rückhaltebecken für das Tunnelwasser sowie ein Interventions- und Rettungsplatz geplant.
Die zusätzlich verkehrenden Züge müssen vor Winterthur die bestehenden Gleise queren können, ohne den Gegenverkehr zu behindern. Dies ermöglichen zwei Bauwerke: Für die S-Bahnen in Richtung Zürich ist bei Neumühle eine eingleisige, rund 800 Meter lange Brücke über die bestehenden Gleise geplant. Die Schnellzüge Richtung St. Gallen queren die Gleise unterirdisch auf der Höhe der Storchenbrücke.
Auf der Höhe Auwiesenstrasse / Untere Vogelsangstrasse ist der neue Standort des Lösch- und Rettungszuges vorgesehen. Dies ermöglicht kürzere Interventionszeiten zum neuen Tunnel als vom heutigen Standort im Osten des Bahnhofes.
Am Bahnhof Winterthur Töss ist eine neue Unterführung mit Treppen und Rampen geplant, damit die Perrons und Züge stufenfrei erreichbar sind. Neu wird es ein zusätzliches Gleis Richtung Winterthur geben, das bei der Storchenbrücke in den geplanten kurzen Tunnel mündet.
Dietlikon.
Der Bahnhof Dietlikon wird neu gebaut. Er erhält ein zusätzliches viertes Gleis und breite Zugänge zu den Perrons (Passerelle sowie stufenfreie Unterführung). Am Bahnhof wird es zudem Ladenflächen, Billettautomaten sowie Parkplätze für Velos, Autos und Mobility-Carsharing geben.
In Richtung Effretikon ersetzt eine Strassenunterführung den heutigen Bahnübergang – damit fallen Barriere-Wartezeiten weg. Die bestehenden zwei Gleise werden zur Seite verschoben, damit es dazwischen Platz für die zwei zusätzlichen Gleise in den Brüttenertunnel gibt. Nach rund 500 Meter tauchen die beiden mittleren Gleise bei der Riedmühlestrasse in der Gemeinde Wangen-Brüttisellen in den Brüttenertunnel ab. Die beiden äusseren Gleise führen wie bisher weiter nach Effretikon, werden aber nach Norden verschoben, um Platz für die spätere unterirdische Glattalautobahn zu machen.
Die Richtung Wallisellen verkehrenden Züge sollen die Richtung Stettbach verkehrenden Züge queren können, ohne den Gegenverkehr zu behindern. Dazu ist ein kurzer Tunnel unter den Gleisen zwischen der Bahnhofstrasse in Dietlikon und dem Furtbachweg in Wallisellen geplant.
Bassersdorf.
Im Bahnhof Bassersdorf werden die Zugänge zu den Perrons barrierefrei ausgebaut, damit alle Züge stufenfrei erreichbar sind. Mit dem Umbau des Bahnhofes sind zwei neue, breite Unterführungen geplant, die den Zugang zur südlichen Seite des Bahnhofes komfortabler machen.
In Richtung Effretikon führen neu vier Gleise. Das südliche der beiden Gleise wird zur Seite verschoben, damit es dazwischen Platz für die zwei zusätzlichen Gleise in den Brüttenertunnel gibt. Auf der Höhe der heutigen Baltenswilerstrasse tauchen die beiden mittleren Gleise in den Brüttenertunnel ab. Die beiden äusseren Gleise führen wie bisher weiter nach Effretikon. Aufgrund der Lage des Tunnelportals wird die Unterführung Baltenswilerstrasse aufgehoben. Die Kantonsstrasse muss vorgängig verschoben werden und mündet neu südlich der Bahnlinie in die Zürichstrasse.
Für den Angebotsausbau braucht es im Raum Dorfnest und Hürlistein zudem zusätzliche Weichenverbindungen und einen Neubau der Personenunterführung bei der Sportanlage Bassersdorf.
Wallisellen.
Im Bahnhof Wallisellen werden die Mittelperrons verbreitert und die Zugänge zu den Perrons angepasst. Zudem ist die Verbreiterung der Katzenunterführung (Personenunterführung Ost) mit neuem Zugang zum Bahnhofplatz auf der Südseite sowie die Verbreiterung der Unterführungen Oberwiesenstrasse und Spitzacker geplant.
Am westlichen Rand der Gemeinde Wallisellen ist eine eingleisige, 590 Meter lange Brücke über das bestehende Gleis von und nach Zürich Oerlikon geplant. Damit können die Züge von Wallisellen nach Zürich Oerlikon verkehren, ohne den Gegenverkehr zu behindern. Die Brücke beginnt bei der Glattalbahn-Haltestelle Belair und endet vor der Autobahnbrücke.
Auf der Südseite der Bahnlinie plant die SBB im Auftrag des Kantons Zürich beim heutigen Bahnweg eine neue Veloschnellroute. Der Kantonsrat wird im 2020 über den Kredit und damit über die Realisierung der Veloschnellroute Wallisellen entscheiden.
