Quando concluída, possuirá a extensão de 4 155,6 km e cortará diversos estados, como Pará, Maranhão, Tocantins, Goiás, Minas Gerais, São Paulo e Mato Grosso do Sul.
A ferrovia foi concebida sob o propósito de ampliar e integrar o sistema ferroviário brasileiro. Ligará Senador Canedo (GO), a Belém, conectando-se, a sul, em Anápolis (GO), com a Ferrovia Centro-Atlântica, e, a norte, em Açailândia (MA), com a Estrada de Ferro Carajás. Ao longo de seu trajeto, a ferrovia segue paralela à Rodovia Belém-Brasília (BR-153; BR-226 e BR-010) e ao leito do Rio Tocantins.
Alguns trechos totalmente construídos enfrentam, no ano de 2013, problemas nas plataformas de embarque e desembarque que não permitem que sejam utilizados por produtores rurais. Os produtores consideram a ferrovia indispensável, já que o tempo gasto para carregar e descarregar diversos caminhões é maior do que o tempo gasto para carregar um comboio de vagões de trem.
Os trechos em construção pelo poder público, previstos para serem inaugurados até 2015, são de Palmas (TO) a Anápolis (GO), com 862 quilômetros, e de Anápolis (GO) a Estrela d'Oeste (SP), com 682 quilômetros.
Em 2010, o ex-presidente Luiz Inácio Lula da Silva "inaugurou" o trecho de Palmas a Anápolis. No ano seguinte, a presidente Dilma Rousseff visitou a obra e disse que ela estaria funcionando até setembro de 2012, o que também não ocorreu.
A Norte-Sul de Palma a Anápolis jamais funcionou porque faltam obras essenciais. Há construções que já estão se deteriorando.
A ferrovia possui raio mínimo de curva de 343 m e rampa máxima de 0,6%, o que permite uma velocidade máxima de 83 km/h.
