Das Herzstück der Durchmesserlinie ist der zweite unterirdische Durchgangsbahnhof Löwenstrasse. Richtung Westen führen die Gleise über zwei neue Brückenbauwerke bis Zürich Altstetten. Richtung Osten verbindet der Weinbergtunnel den Hauptbahnhof mit Oerlikon.

Zwischen Zürich Altstetten und dem Zürcher Hauptbahnhof entlasten zwei neue Brücken den Schienenverkehr vom Hauptbahnhof Richtung Westen. Bei der Unterführung Langstrasse beginnt die Kohlendreieckbrücke, die bis zur Hardbrücke reicht. Die Letzigrabenbrücke überquert die Gleise von der Hardbrücke bis Altstetten.

Kurz vor dem Hauptbahnhof münden die zwei Gleise der Durchmesserlinie in den neuen Durchgangsbahnhof Löwenstrasse. Dieser entsteht in rund 16 Metern Tiefe unter den bestehenden Gleisen 4 bis 9 des Hauptbahnhofes.

Die neue Passage Gessnerallee erfüllt gleich mehrere Funktionen: sie ist Ladengeschoss und neue Verbindung zwischen den beiden unterirdischen Durchgangsbahnhöfen Museumstrasse und Löwenstrasse und den Perrons in der Haupthalle des Hauptbahnhofes.

Die Züge verlassen den Durchgangsbahnhof wieder auf zwei Spuren in den Weinbergtunnel Richtung Oerlikon. Dieser unterquert die Limmat und den Zürichberg und mündet nach rund fünf Kilometern in den Bahneinschnitt Oerlikon.

In Oerlikon selbst wird das Gleisfeld zwischen dem Tunnelportal und dem Bahnhof Oerlikon erweitert, um Platz für die zwei neuen Gleise zu schaffen.