İnşaat tamamlandığında Marmaray'a bağlı hat 16 km boğaz geçişi ve Avrupa yakasında Halkalı-Yenikapı, Anadolu yakasında Gebze-Harem arasındaki kısımlar olmak üzere yaklaşık olarak 76 km uzunluğunda olması planlanmaktadır. Farklı kıtalardaki demiryolları İstanbul Boğazı'nın altından batırma tüp tüneller ile birleştirilecektir. Marmaray Projesi 60 metre ile dünyanın en derin batırma tüneline sahip olacaktır
İstanbul Boğazı'nın altından geçecek bir demiryolu tüneli düşüncesi ilk kez 1860'lı yıllarda dile getirildi. 1902'de Amerikan mühendisler Tünel-i Bahrinin beratını aldılar. Proje, Salacak-Sarayburnu arasında, denizin altına dikilen 16 sütunun üzerinden geçen bir tüneli kapsıyordu. 1980'li yıllarda Boğaziçi Köprüsü'nün trafiğe yetmemesi üzerine yeni bir köprü ya da bir denizaltı tünelinin yapılması gündeme gelmiştir.Bu proje gerçekleşmezken 1987 yılında ilk geniş kapsamlı fizibilite etüdüyle, projenin ana hatları belirlendi. Güncellemelerle proje aşaması 1998 yılında biten Marmaray'ın inşasına 2004 yılında başlandı.