بر اساس مطالعات جامع حمل و نقل شهر مشهد و مطالعات توسعه شبکه حمل و نقل ریلی توسط پژوهشکده حمل و نقل دانشگاه صنعتی شریف، مشهد نیازمند ۴ خط مترو است. حتی توسعه خطوط مترو به شهرهای جدیدی چون گلبهار در شمال و بینالود در جنوب نیز پیش‌بینی و مراحل تصویب آن نیز سپری گردیده است.
۴ خط مترو به طول ۷۴ کیلومتر برای مشهد پیش‌بینی شده است:
خط یک: فرودگاه شهید هاشمی‌نژاد به وکیل‌آباد، ۲۵کیلومتر از شرق به غرب و برعکس
مسیر خط ۱ قطار شهری مشهد از فرودگاه شهید هاشمی‌نژاد تا انتهای بلوار وکیل‌آباد ۲۵ کیلومتر را در بر می‌گیرد، عملیات اجرایی ۱۹ کیلومتر از این مسیر (نخریسی به وکیل آباد) از آذر ماه سال ۱۳۷۹ آغاز گردیده است، ۵/۱۰ کیلومتر به صورت زیرزمینی در تونل کم عمق و ۵/۸ کیلومتر در مسیر همسطح طی خواهد شد. این خط در میدان تقی آباد (ایستگاه شریعتی) خط دو را قطع می‌کند.
خط یک شامل ۲۴ ایستگاه و سر فاصله زمانی هر قطار بین ۶- ۴.۵ دقیقه است. متغیر بودن این زمان با توجه به ساعات پیک استفاده و روزهای تعطیل است.
ساعت خدمات‌رسانی از ۶ صبح الی ۲۲ و در روزهای تعطیل ۷ صبح الی ۲۲ می‌باشد.
ظرفیت جابجایی روزانه ۱۷۰، ۰۰۰ مسافر در ۱۶ ساعت کاری است.
در طول خط هر ۴۰۰ متر یک پله خروج اضطراری وجود دارد.
خط دو: رضاشهر به طبرسی شمالی، به طول حدود ۱۴.۵ کیلومتر (از جنوب به شمال و برعکس)
مسیر خط ۲ قطار شهری مشهد از انتهای طبرسی شمالی پایین روستای کشف شروع می‌شود و به بسیاری از مراکز پرجمعیت آن منطقه سرویس‌دهی مستقیم دارد.
بعضی از مراکز جمعیتی مجاور که عمدتا طبقات محروم در آنجا ساکن هستند با طی کمترین فاصله به یکی از ایستگاه‌های خط ۲ دسترسی خواهند داشت و در ادامه پس از قطع کمربندی صد متری (بزرگراه بسیج) این خط از منطقه طلاب و با فاصله اندکی از چهار راه مقدم طبرسی عبور خواهد کرد و سپس به میدان راه‌آهن و به میدان شهدا ادامه مسیر خواهد داد.
در ادامه این خط با عبور از میدان سعدی و میدان تقی‌آباد ضمن عبور از ایستگاه تقاطعی با خط یک دسترسی ویژه‌ای به زیست‌خاور خواهد داشت و در نهایت ایستگاه آخر خط مذکور با عبور از پارک کوهسنگی در میدان فضل بن شاذان (جام عسل) خاتمه می‌یابد. در ادامه این خط با عبور از میدان سعدی و میدان تقی‌آباد ضمن عبور از ایستگاه تقاطعی با خط یک دسترسی ویژه‌ای به زیست‌خاور خواهد داشت و در نهایت با عبور از پارک کوهسنگی در میدان فضل بن شاذان (جام عسل) و ابتدای رضاشهر و سپس انتهای بلوار فکوری خاتمه می‌یابد.
در حال حاضر ۶ ایستگاه از ایستگاه ولایت تا ایستگاه شهدا (به غیر از ایستگاه "شهید مفتح") به بهره‌برداری رسیده است.
سر فاصله زمانی هر قطار ۲۰ دقیقه و ساعت خدمات‌رسانی از ساعت ۶ صبح الی ۱۳ است.
خط سه: شهرک ابوذر تا قاسم آباد به طول حدود ۲۴ کیلومتر (از جنوب شرق به شمال غرب و برعکس)
خط ۳ قطار شهری از ترمینال اتوبوسرانی در انتهای خیابان امام رضا (ع) و تا فلکه آب و صحن جامع رضوی ادامه داشته و با عبور از چهار راه خسروی چهارراه شهدا به میدان شهدا می‌رسد. در این مسیر نیز بیشترین سرویس را به زائرین محترم امام رضا (ع) و اقشار متوسط ارائه می‌نماید. سپس خط تا میدان فردوسی ادامه می‌یابد و در میدان جانباز و از طریق بولوار جانباز به بزرگراه امام علی و سپس با طی تمام مسیر امامیه به اراضی امامیه رسیده و آخرین ایستگاه در محل احداث ترمینال جدید اتوبوسرانی برون شهری غرب مشهد، خواهد بود.
در این خط طول مسیر ۱۹ کیلومتر شرق به غرب و برعکس بوده و دارای ۲۲ ایستگاه شامل ۱۱ ایستگاه زیرزمینی و ۱۱ ایستگاه همسطح است. حداکثر سرعت قطار ۸۰ کیلومتر در ساعت بوده و متوسط سرعت ۳۶ کیلومتر در ساعت است. همچنین ظرفیت جابجایی مسافر تا ۲۰۰۰۰ نفر در ساعت در هر جهت در نظر گرفته شده و مساحت اراضی ۴۶ هکتار است.
خط چهار : شهرک شهید رجایی به خواجه ربیع به طول حدود ۱۴ کیلومتر (از شرق به شمال و برعکس)
خط ۴ قطار شهری مشهد از خواجه ربیع آغاز و با عبور از میدان شهدا با امتداد به سمت حرم مطهر از ضلع شمالی حرم مطهر عبور کرده و از میدان مصلی به سمت قلعه ساختمان و جاده سرخس طی مسیر خواهد کرد. این خطوط پس از احداث و بهره‌برداری بیشترین خدمت را به اقشار متوسط و محروم مشهد خواهد نمود ضمن این که با عبور دو خط از دو سمت حرم مطهر بهترین دسترسی به حرم مطهر را برای زائران و مجاوران فراهم خواهد داشت.
قرارداد مربوط به خرید واگن‌های مترو مشهد با کشور چین نیز منعقد شده است. بیشتر قطعات استاندارد اروپا را داشته و در چین مونتاژ می‌شوند.
خط یک مترو مشهد شامل سه قطار و هر یک دارای ۲۰ واگن و در مجموع ۶۰ واگن است.