แนวเส้นทางรถไฟฟ้ามหานครทั้งหมดจะอยู่ใต้ดิน โดยเริ่มต้นจากสถานีรถไฟหัวลำโพงไปตามแนวถนนพระราม 4 เลี้ยวซ้ายเข้าถนนรัชดาภิเษกที่สี่แยกคลองเตย ตัดลอดถนนสุขุมวิท ไปตามแนวถนนอโศก ถนนรัชดาภิเษก เลี้ยวซ้ายไปทางถนนลาดพร้าว ผ่านสถานีขนส่งหมอชิต เลี้ยวขวาไปตามถนนกำแพงเพชร สิ้นสุดที่สถานีรถไฟบางซื่อ

สถานีทั้งหมดเป็นสถานีใต้ดิน มีทั้งหมด 18 สถานี แต่ละสถานีห่างกันประมาณ 1 กิโลเมตร ประกอบด้วย

สถานีหัวลำโพง อยู่ที่หัวถนนพระราม 4 บริเวณจุดตัดถนนรองเมือง และถนนมหาพฤฒาราม ตรงข้ามสถานีรถไฟหัวลำโพง

สถานีสามย่าน อยู่ถนนพระราม 4 ตรงข้ามจุฬาไฮเทคสแควร์ บริเวณทางแยกถนนพญาไท และถนนสี่พระยา กับถนนพระราม 4 หน้าวัดหัวลำโพง

สถานีสีลม อยู่บริเวณจุดตัดถนนราชดำริ และถนนสีลม หน้าโรงแรมดุสิตธานี

สถานีลุมพินี อยู่ตรงข้ามโรงเรียนเตรียมทหาร ข้างสะพานลอยไทย-เบลเยียม มุมถนนสาธร และถนนวิทยุตัดกับถนนพระราม 4 ด้านโชว์รูมเบนซ์

สถานีบ่อนไก่ อยู่ใกล้ทางด่วนขั้นที่ 1 และทางรถไฟสายแม่น้ำ บริเวณสำนักงานบริการโทรศัพท์ตรอกจันทร์

สถานีศูนย์สิริกิติ์ อยู่บริเวณถนนรัชดาภิเษก ตรงข้ามศูนย์ประชุมแห่งชาติสิริกิติ์ และตลาดหลักทรัพย์ใหม่ ข้างซอยวัดไผ่สิงห์โต

สถานีสุขุมวิท อยู่บริเวณถนนสุขุมวิท ตัดถนนอโศก

สถานีเพชรบุรี อยู่บริเวณถนนอโศก-ดินแดง คร่อมถนนเพชรบุรีตัดใหม่ ใกล้สถานทูตญี่ปุ่น

สถานีพระราม 9 อยู่บริเวณถนนรัชดาภิเษก ตรงข้ามอาคารฟอร์จูนทาวน์

สถานีเทียมร่วมมิตร อยู่บริเวณถนนรัชดาภิเษก ตรงอาคารเมืองไทยประกันชีวิต

สถานีประชาราษฎร์บำเพ็ญ อยู่คร่อมกลางสี่แยกห้วยขวาง

สถานีสุทธิสาร อยู่คร่อมกลางสี่แยกสุทธิสาร

สถานีรัชดา อยู่บริเวณหน้าอาคารปลาทองกะรัต

สถานีลาดพร้าว อยู่บริเวณถนนลาดพร้าว ซอย 21 เชื่อมต่อกับสถานีจอดแล้วจร (PARK & RIDE)

สถานีพหลโยธิน อยู่บริเวณสามแยกลาดพร้าวใกล้ตลาดสด

สถานีหมอชิต อยู่บริเวณสวนจตุจักร สามารถเชื่อมต่อกับสถานีรถไฟธนายง ที่บริเวณสถานีขนส่งหมอชิต

สถานีกำแพงเพชร อยู่ตรงข้ามองค์การตลาดเพื่อเกษตรกร (อ.ต.ก.)

สถานีบางซื่อ อยู่ใกล้สถานีรถไฟบางซื่อ ใกล้ทางด่วนขั้นที่ 2 เชื่อมต่อกับสถานีรถไฟฟ้าโฮปเวลล์