La LGV Rhin-Rhône est un projet original. Grâce à la double fonctionnalité, Nord-Sud et Est-Ouest, de sa branche Est (une ligne nouvelle entre Dijon et Mulhouse), elle permettra de réaliser sur le territoire français une liaison intéressant deux grandes diagonales européennes, ses différentes dimensions — régionale, nationale et européenne — étant naturellement complémentaires :
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Nord-Sud entre l'Allemagne, le nord de la Suisse, l'est de la France, les vallées de la Saône et du Rhône et l'arc méditerranéen, de la Catalogne à Nice.
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Est-Ouest entre Londres, Bruxelles, Lille, l'Île-de-France et la Bourgogne, la Franche-Comté, le sud Alsace, le Bade Sud, la Suisse alémanique et romande.
Au total 12 régions françaises métropolitaines sur 21 bénéficieront du projet, en premier lieu, celles inscrites sur l'axe Rhin-Rhône-Méditerranée, de l'Alsace au Languedoc-Roussillon, en passant par la Franche-Comté, la Bourgogne et Rhône-Alpes, sans oublier Provence-Alpes-Côte d'Azur, Midi-Pyrénées et la Lorraine.
Dans sa dimension Est-Ouest le TGV Rhin-Rhône intéresse, outre Paris et sa région, le Nord-Pas-de-Calais et, avec un barreau d'interconnexion au sud de l'Île-de-France, la Bretagne et les Pays de la Loire.
12 millions de voyageurs devraient emprunter chaque année les dessertes assurées par la LGV Rhin-Rhône à partir de décembre 2011.
Son coût est 2,053 milliards d'euros (valeur janvier 2004). Le raccordement dénivelé de Perrigny, au sud de Dijon, facilitera la traversée du nœud ferroviaire dijonnais pour les TGV mais aussi les trains de fret. La gare TGV d'Auxon sera reliée à la gare de Besançon-Viotte par une ligne ferroviaire qui pourra être également utilisée pour des dessertes périurbaines.
La construction de la LGV Rhin-Rhône est assurée par Réseau Ferré de France.