Au nord, la ligne D emprunte les voies de desserte locale de la ligne Paris - Lille, ouverte en 1846, et dont le tronçon Saint-Denis - Creil est ouvert en 1859.
Au sud, elle emprunte les voies des lignes :
Les tronçons nord et sud sont reliés par un tunnel traversant Paris, ouvert en 1981 de Châtelet - Les Halles à Gare du Nord, et en 1995 de Châtelet - Les Halles à Gare de Lyon.
La ligne est découpée en deux parties pour l'alimentation électrique, situation qui découle de l'histoire de l'électrification du réseau ferroviaire national.
Le nord de la ligne comme tout le réseau Nord, de banlieue et grandes lignes, est électrifié en 25 000 volts monophasé ; la Gare du Nord souterraine est alimentée dans les deux tensions. Les voies nord/sud des RER B et D sont électrifiées en 1 500 volts continu et les voies sud/nord des RER B et D sont électrifiées en 25 000 volts monophasé.
La section Gare du Nord - Châtelet-Les Halles (incluse) commune avec le RER B et appartenant à la RATP, est électrifiée en 1 500 volts continu, avec section de séparation et obligation de baisser les pantographes. Le courant RATP est mieux « lissé » que celui du réseau national géré par la SNCF, ceci afin d'utiliser le freinage en récupération. Le sud de la ligne, et comme tout le réseau Sud-Est, est sous la tension de 1 500 volts continu.
La présence de deux tensions différentes impose l'utilisation de matériel roulant dit bicourant, apte aux deux systèmes d'électrification, tout comme sur les autres lignes du RER, à l'exception de la ligne E électrifiée entièrement en 25 kV.
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Il y a de trop nombreuses limites de vitesse autorisées sur la ligne D pour pouvoir les détailler.
La vitesse maximale est de 140 km/h sur les portions où cela est possible pour les Z 20500 et de 120 km/h pour les Z 5300, limite de ces rames. Ces sections autorisées à 140 km/h vont de Creil à Villiers-Le-Bel - Gonesse et de Combs-la-Ville à Melun. Sur les autres sections, la vitesse dépend du tracé, des tunnels, gares… et s'échelonne de 30 (exemple : voie 1C à Melun en direction de Corbeil) à 130 km/h (exemple : voie 1bis entre Montgeron-Crosne et Combs-la-Ville - Quincy) en surface et de 30 (exemple : voies 1 et 3 à Paris-Lyon Banlieue vers Châtelet) à 90 km/h (une courte portion entre Châtelet et Paris-Nord) dans la section centrale en tunnel.