La estación subterránea se ubica bajo la actual estación de alta velocidad y la calle Méndez Álvaro y conectará el túnel de alta velocidad entre Puerta de Atocha-Almudena Grandes y Chamartín-Clara Campoamor con el nuevo acceso sur de alta velocidad a la capital, permitiendo la parada en ambas estaciones de trenes de alta velocidad. Así, se completará la conexión total de la mitad norte y la mitad sur de la red de alta velocidad de España.
La estación dispondrá de cuatro nuevas vías y dos andenes y, según el Gobierno, «su ejecución comportará una gran complejidad técnica, aunque se desarrollará manteniendo la circulación ferroviaria». La nueva instalación, enmarcada en la Fase 2 del nuevo complejo ferroviario de Atocha, estará incluida en el resto de las instalaciones de alta velocidad (utilizando los mismos vestíbulos, filtros de control, etc.) con el fin de «maximizar sinergias y el aprovechamiento de espacios».
De cara a la ejecución de la obra, el Ministerio ha realizado un estudio de paisajismo que «permite salvaguardar la totalidad de los árboles del entorno de la nueva estación pasante de Atocha». Así, el proyecto contempla la tala de un solo ejemplar, cuyas condiciones hacen «inviable su trasplante», evitando así «cortar 246 árboles de los 247 aprobados por el Ayuntamiento de Madrid».
