该线主方向为南北向，大部分地段与西安地铁2号线平行。线路连接草滩现代农业开发区、张家堡广场、曲江新区、西安航天基地，途经既有西安火车站、明城墙内五路口及大差市、历史文物景点大明宫国家遗址公园、大雁塔、大唐芙蓉园、寒窑遗址公园、秦二世陵遗址公园等客流密集区，缓解西安地铁2号线在市中心区的客流压力。因此，四号线对于城市南北向客流转换起到辅助和补充作用，将其确定为规划轨道交通线网中的辅助线。
西安地铁4号线线路北起西安北站，向南沿文景路，至凤城八路向东，至太华路一路向南，拐至西安火车站后，沿解放路-雁塔路一线布设，至大雁塔后绕至芙蓉西路一直向南绕至曲江池东边的寒窑后，绕回芙蓉西路一路向南，穿过南三环、航天大道，航创路后向东行，穿过神舟大道、航天东路到达终点站航天新城站。