临哈铁路东起内蒙古自治区包(包头)兰(兰州)铁路上的临河车站，向西经过乌兰布和沙漠，深入阿拉善盟额济纳旗居延海北，沿中蒙边界巴丹吉林沙漠北缘，经甘肃省肃北地区进入新疆维吾尔自治区与兰(兰州)新(新疆)铁路的哈密站相接，全长1390公里。其中内蒙古境内1070公里。

临哈铁路横穿乌兰布和与巴丹吉林两大沙漠，这两大沙漠分别为中国第三和第四大沙漠。沿线大部分地区为戈壁边缘地带。

该铁路建成后，将成为我国华北地区通往西北地区的一条直接通道，也将是新疆连接华北、东北和通向首都北京的捷径线路。

该铁路分两部分建设，分别是临河至策克段，策克至哈密段，目前临河至策克已经建成通车，呼和浩特至额济纳的4661/2次列车正在运行，策克至哈密段正在施工。