El acceso a la nueva terminal se realiza desde la marquesina histórica, en cuya zona más cercana a los andenes dispone de una zona comercial y de ocio para viajeros.

Los trabajos de remodelación continúan con la llegada del túnel AVE Atocha-Chamartín, que incluye la construcción de 4 nuevas vías pasantes bajo los andenes 14 y 15 y la calle Méndez Álvaro.

[1]​ Es una estación en fondo de saco, con 15 vías que finalizan en topera.

Cada una de las vías, excepto la vía 1, dispone de un desvío a mitad de andén que permite situar a dos trenes en cada vía, y que el tren interior salga cruzando a la otra vía, lo que permite operar con tres trenes simultáneamente por cada dos vías.

Posteriormente las vías en ancho internacional fueron electrificadas en 25 kVca dando continuidad completa a la electrificación.

Desde la apertura del túnel AVE Atocha-Chamartín y ante la entrada de nuevos operadores como Ouigo o Iryo, los trenes de Alta velocidad con destino Murcia, Alicante y Valencia tienen su cabecera en Chamartín.

Para lo cual se prevé desviar los servicios hacia Chamartín a través del nuevo túnel de Alta velocidad recientemente inaugurado.