Asimismo, esta línea de alta velocidad, que transcurre por las estaciones de Atocha, Guadalajara-Yebes, Calatayud, Zaragoza-Delicias, Lleida, Camp de Tarragona, El Prat y Barcelona-Sants, y por los cambiadores de Atocha, Plasencia de Jalón, Zaragoza, Lleida, Puigverd y Roda de Bará, permite la integración de España en la futura red transeuropea de alta velocidad.
Más del 90% del trayecto, de 621 kilómetros de longitud, permite circular a 300 kilómetros por hora, lo que convierte a este tráfico en el de mayor velocidad media de España, 238 kilómetros. Con este parámetro, Renfe se sitúa entre los operadores punteros de alta velocidad. Asimismo, esta infraestructura dispone de parámetros constructivos que permiten el desarrollo de velocidades máximas de 350 kilómetros por hora, como son radios de curva mínimos de 7.250 metros, peraltes máximos de 140 milímetros y una pendiente máxima de 25 milésimas.

La línea Madrid-Barcelona está dotada de Ertms, la de mayor longitud del mundo, que es un sistema de protección automática del tren con control centralizado y transmisión puntual a través de las eurobalizas. También está equipada con sistema Asfa con señalización luminosa como respaldo y con GSM-R, sistema inalámbrico que permite la transmisión de voz y datos. Está dotada, además, de sistemas de supervisión y vigilancia, como detectores de caídas de objetos, de impacto en vía, de cajas calientes o de comportamiento dinámico de pantógrafo, y dispone de 12 subestaciones que permiten el suministro eléctrico para la prestación del servicio ferroviario.

La estación de Barcelona-Sants está siendo objeto de una transformación que la convertirá en una terminal más amplia, con mayores servicios y adaptada para personas con dificultades de movilidad. El proyecto, aún en marcha, tiene un presupuesto de 220 millones de euros. El vestíbulo alcanzará una superficie de 35.100 metros cuadrados, prácticamente el doble del actual, y dispondrá de 14 vías operativas, ocho de ancho ibérico y seis de ancho UIC. Sus siete andenes tendrán 465 metros de longitud y hasta 10,5 metros de ancho.
Además, estas obras de mejora permitirán, entre otros beneficios, ofrecer un mejor servicio de información al cliente, con la instalación de nuevas pantallas de información, cámaras, puntos de intercomunicación y ayuda SOS. Asimismo, se han mejorado los enlaces con el metro y, entre los diferentes servicios de la estación, se han incorporado accesos para la conexión peatonal longitudinal y transversal al vestíbulo.