Les trains quittent la gare de Bruxelles-Midi en utilisant la ligne traditionnelle, toutefois modernisée pour supporter des vitesses de 220 km/h. Au niveau de Forest, le train longe le dépôt où peuvent être vérifiés certains Thalys et Eurostar. Au kilomètre 13 (Hal), le TGV entre dans sa propre section, puis après le franchissement du canal Bruxelles-Charleroi, la LGV supportant 300 km/h commence au niveau du viaduc de Lembeek.
La ligne suit l'autoroute A8 entre Rebecq et Enghien. La ligne suit après Enghien la ligne historique Bruxelles-Tournai sur environ 10 km.
Le site de maintenance "Le Coucou" est situé à proximité de Ath. Il a servi comme quartier général lors de la construction de la ligne (entre 1993 et 1998). Un peu plus loin se situe le viaduc de l'Arbre, entre Ath et Chièvres, d'une longueur de 2,500 m, ce qui en fait l'un des plus longs viaducs ferroviaires d'Europe. Le viaduc survole le canal Ath-Blaton, la rivière Dendre, la route de Mons et la ligne Ath-Jurbise.
A hauteur de Antoing se situe un raccordement à la ligne Mons-Tournai, permettant principalement la circulation de Thalys Paris-Namur. Après le franchissement de l' Escaut grâce à un viaduc de 483m, et les 365m de tranchée couvert au niveau de Bruyelle, la ligne franchit la frontière à Wannehain, au kilomètre 88. 11 kilomètres plus loin, en France, se situe le triangle de Fréthun permettant les liaisons ou vers le nord (Lille, Londres) ou vers le Sud (Paris et le Sud de la France).
La ligne utilise le système de signalisation TVM-430.