绵遂渝铁路的路线主要分为三段：绵阳至遂宁段、遂宁至渝中段和渝中至渝北段，全线全长约370公里。具体路线如下：

绵阳至遂宁段：绵阳—百色—达州—遂宁

遂宁至渝中段：遂宁—安岳—眉山—泸州—重庆渝中

渝中至渝北段：重庆渝中—荣昌—永川—重庆北碚—重庆大足—重庆涪陵—重庆梁平—重庆丰都—重庆彭水—重庆璧山—重庆黔江—重庆云阳—重庆綦江—重庆酉阳—重庆南川—重庆万州—重庆武隆—重庆忠县—重庆垫江—重庆大渡口—重庆江北—重庆渝北。