Le projet a fait l'objet d'études préalables de 2002 à 2004 conduites par Réseau ferré de France (RFF). Elles ont permis d'envisager :
- une desserte de Bordeaux et Toulouse par leurs gares centrales : Bordeaux St-Jean et Toulouse Matabiau ;
- deux arrêts intermédiaires à Agen et Montauban, soit par utilisation des gares existantes, soit par création de gares nouvelles sur la ligne à grande vitesse ;
- un tracé entre Agen et Toulouse suivant la vallée de la Garonne et l'autoroute 62.
- trois possibilités de tracé entre Bordeaux et Agen : une au nord de la vallée de la Garonne, une longeant la vallée et une plus au sud passant par Captieux. Cette dernière, qui tient actuellement la corde, permettrait une première partie commune entre la LGV Bordeaux-Toulouse et le prolongement de la LGV Sud Europe Atlantique de Bordeaux à la frontière espagnole. De plus, elle permettrait une desserte directe de Mont-de-Marsan et offrirait un accès direct aux villes de la dorsale pyrénéenne (Pau, Lourdes, Tarbes).
Il n'est pas prévu de contournement de l'agglomération bordelaise du moins à moyen terme; les TGV assurant la liaison Paris-Toulouse traverseront la gare de Bordeaux St-Jean. La ligne débuterait au sud-est de Bordeaux à Hourcade et rejoindrait la ligne classique au nord-ouest de Toulouse à St-Jory. Le projet de shunt de Bordeaux (Libourne-La Réole) semble peu compatible avec l'option du tronc commun.
L'exploitation de la ligne est envisagée à une vitesse de 320 km/h ce qui permettrait des temps de parcours de 59 minutes entre Bordeaux et Toulouse et de 3h14 entre Paris et Toulouse (3h07 sans arrêt à Bordeaux).
La mise en service pourrait avoir lieu à l'horizon 2020 pour un coût de l'ordre de 3 milliards d'euros.