集寧至大同至原平高速鐵路由原大客專、大張客專大同至下米莊段、集大高鐵三部分組成，線路全長為296.113公里（包含大張高鐵共線段落）。集大段北起京包客專烏蘭察布站東端，經內蒙古察哈爾右翼前旗、豐鎮市西側進入山西境內，沿二廣高速公路西側經大同市新榮區引入在建大張高鐵大同南站，全長約125公里。大同南站至下米莊段21.6公里為在建大張高鐵。大原段起自在建大張高鐵懷仁縣口毛線（公路）南側，經應縣、山陰縣、朔州市，穿越恒山余脈（控制性工程為恒山隧道，全長14.765公里），再經代縣、原平，接入大西客專預留樊家莊線路所，全長約148公里。
全線新建線路長度269.317km，其中內蒙古自治區境內72.645km、山西省境內196.672km。共設置車站8座，包括：接軌站2座：烏蘭察布、大同南；新建中間站5座：豐鎮西、應縣西、山陰南、朔州東、代縣西；擴建既有站1座：懷仁東線路設計行車標準每小時350公里，項目總投資401.46億元，建設總工期4.5年，預計2020年開工建設。