线路自北辰区双街，沿京津公路西侧向南敷设，经北仓、天穆、行至中环后穿越勤俭桥，经西沽公园进入西站副中心绿廊范围内，之后在天津西站南广场设西站站，与地铁1号线、6号线换乘，在东南角站与地铁2号线换乘，在和平路站与地铁3号线换乘，穿越海河，在十一经路站与地铁9号线换乘，在成林道站与地铁5号线换乘，进入津滨大道向东敷设，在张贵庄与即将开工建设地铁10号线换乘，出外环路后抵达终点站民航大学站。其中地铁4号线南段线，从东南角途经和平路、曲阜路、成林道、津滨大道到民航大学，全长19km，14座车站。