การออกแบบแนวเส้นทางของโครงการเป็นรถไฟทางคู่ มีจุดเริ่มต้นที่ กม.110+215 บริเวณจุดตัดถนนเลี่ยงเมืองสระบุรีฝั่งตะวันตก โดยทางรถไฟจะเป็นคันทางระดับพื้นตามแนวเส้นทางรถไฟปัจจุบัน (รถไฟทางคู่) มุ่งหน้าไปทางทิศตะวันออกลอดใต้โครงสร้างทางรถไฟยกระดับของโครงการรถไฟความเร็วสูง ไทย-จีน ในช่วงที่เป็นโครงสร้าง Portal frame (อยู่ห่างจากสะพานข้ามทางรถไฟถนนเลี่ยงเมืองฯ ประมาณ 1 กม.) จากนั้นแนวเส้นทางของโครงการจะเริ่มเบี่ยงไปอยู่ฝั่งขวาของทางรถไฟเดิม และเริ่มต้นยกระดับเป็นโครงสร้างทางรถไฟยกระดับผ่านจุดตัดที่ 1 ถนนพหลโยธิน และยกระดับเข้าสู่พื้นที่ย่านสถานีรถไฟสระบุรี โดยแนวเส้นทางของโครงการจะอยู่ฝั่งตรงข้ามกับอาคารสถานีเดิม ซึ่งในช่วงสถานีสระบุรี

แนวเส้นทางเป็นรถไฟทางคู่ พร้อมทางหลีก 2 ทาง จากนั้น ยกระดับข้ามผ่านจุดตัดที่ 2 ถนนพิชัยรณรงค์สงคราม ซอย 1 ข้ามคลองเพรียว และข้ามผ่านจุดตัดที่ 3 ถนนทางเข้าศูนย์ราชการฯ จากนั้น

แนวเส้นทางของโครงการจะลดระดับลงสู่ระดับพื้น เพื่อเบี่ยงแนวเส้นทางไปบรรจบกับแนวเส้นทางรถไฟทางคู่เดิมบริเวณก่อนเข้าสู่ชานชาลาสถานีรถไฟความเร็วสูงสระบุรีของโครงการรถไฟความเร็วสูงไทย-จีน ที่ได้ก่อสร้างสถานีให้สามารถรองรับผู้โดยสารและเชื่อมโยงการใช้บริการร่วมกับโครงการรถไฟความเร็วสูงไทย-จีน ไว้แล้ว จากนั้นแนวเส้นทางของโครงการจะอยู่ในแนวเส้นทางรถไฟทางคู่เดิมและไปสิ้นสุด

ที่ตำแหน่ง กม.117+215 บริเวณสะพานข้ามทางรถไฟถนนเลี่ยงเมืองสระบุรีด้านตะวันออกรวมระยะทางของโครงการประมาณ 7 กม. รายละเอียดดังรูปที่ 3 ถึง 5

ทั้งนี้ แนวเส้นทางรถไฟยกระดับของโครงการจะซ้อนทับกับพื้นที่ชานบรรทุกทหาร (Military Platform) ที่ตั้งอยู่บริเวณสถานีสระบุรี จึงจำเป็นต้องรื้อย้าย โดยการพิจารณาพื้นที่ที่เหมาะสมสำหรับก่อสร้างชานบรรทุกทหารแห่งใหม่ ได้ข้อสรุปให้ก่อสร้างที่บริเวณสถานีชุมทางหนองบัว

จากการที่หอการค้าจังหวัดสระบุรี มีมติให้ที่ปรึกษานำเสนอแนวคิดการออกแบบรูปแบบสถานีใหม่ คือแนวความคิด “นมดี หรือ กะหรี่ดัง” ที่เป็นชื่อเสียงของจังหวัดมานาน ไปศึกษาเพื่อออกแบบรูปแบบสถานีใหม่แทนแนวความคิดเดิมที่ได้เสนอไว้ คือ มัจฉาเริงชล และต่อมาได้มีการหารือกับหอการค้าจังหวัดฯ อีกครั้ง จนได้ข้อสรุปว่าให้นำแนวความคิดของ “นมดี” มาพัฒนาเป็นรูปแบบของสถานี

ซึ่งที่ปรึกษารับนโยบายดังกล่าวไปทำการศึกษารูปแบบ โดยนำรูปแบบตัววัวและลายบนตัวของวัว มาใช้สร้างรูปทรงและ Pattern Façade ของสถานี รวมถึงงานออกแบบสถาปัตยกรรมภายใน ในพื้นที่พักคอยผู้โดยสารที่สื่อถึงนมวัวผ่านรูปแบบการตกแต่งภายในเพื่อให้ผู้โดยสารหรือคนทั่วไปรับรู้ถึงสัญลักษณ์ดังกล่าวของจังหวัดที่มีชื่อเสียงด้านนี้

สถานีสระบุรีถูกออกแบบเป็นสถานีรถไฟยกระดับ โดยแผนผังหลัก (Master Layout Plan) ของสถานีถูกออกแบบปรับปรุงภูมิทัศน์ใหม่ ดังรูปที่ 6 บริเวณผังภายในของอาคารสถานีที่ชั้นระดับพื้น ซึ่งเป็นชั้นจำหน่ายตั๋วและพักคอย และที่ชั้น 2 ซึ่งออกแบบเป็นชั้นชานชาลา นำเสนอดังรูปที่ 7 สำหรับภาพบรรยากาศภายนอกฝั่งถนนเทศบาล 9 ฝั่งถนนพหลโยธิน ซ.6 และภาพบรรยากาศภายในของสถานีสระบุรี แสดงดังรูปที่ 8 รูปที่ 9 และ รูปที่ 10 ตามลำดับ