长昆段全长1175公里，沿线共设站25个，其中始发站三个，即长沙南站、贵阳北站、昆明南站三个省会站，其它22个站均为中间站；从昆明到长沙只要222分钟，从长沙出来在湘潭境内有93公里设站两个（湘潭北站和韶山南站）再经娄底、邵阳新邵、新化、怀化、新晃到贵阳，建设周期4年。
沪昆高速铁路也是我国铁路几次大提速以来，时速300公里以上的动车组将首次进入大西南，结束我国山区铁路客运时速不足每小时80公里的历史，对西南地区的社会、经济发展有重要的意义。该线路建成后，将实现客货运分离，现有的沪昆铁路将以货运为主。
沪昆高铁湖南段线路图：
线路走向及设计
2008年11月27日，铁道部公布了新调整的2008年版《中长期铁路网规划》 。沪昆高铁长昆段长沙→贵阳→昆明这一段是沪昆快速客运铁路专线的重要一部分。
该路段有北线、中线、南线三个可比研究方案：
①北线方案为长沙→宁乡→安化→辰溪→凤凰→铜仁市→江口县→石阡县→余庆→瓮安→贵阳，铜仁力争此方案；
②中线方案为长沙→韶山→娄底→怀化→玉屏→镇远→施秉→黄平→福泉→贵阳，基本与湘黔铁路重叠；
③南线方案为长沙→湘潭→邵阳北→会同→锦屏→凯里→都匀→贵阳。
中铁二院对长沙－怀化段提出经娄底方案，经娄底、邵阳方案和经邵阳方案等三个可比研究方案。其中，经娄底方案为，线路自长沙南站引出后，先后于韶山国家风景名胜区南侧边缘、娄底市南侧设韶山南、娄底南站，之后绕避煤矿采空区，经冷水江市南侧，于新化紫鹊界梅山龙宫国家级风景名胜区南侧穿越雪峰山，然后接入怀化高速站，线路全长310公里。
中铁二院推荐经娄底方案。经娄底、新化取直方案线路顺直，投资节省，且通过娄邵线提速改造，并修建与娄底南站之间的联络线，可开行邵阳至长沙方向的城际快车，同时该线与怀邵衡、娄邵提速改造铁路组成娄底-怀化-邵阳三角区域，覆盖面广，吸引客流量大，优势明显，予以推荐。[3]
线路争议
沪昆高铁湖南段的走向曾有三套备选方案，其中两套经过邵阳，2008年12月铁道部、铁路途径地领导与相关专家在长沙召开的会议上推荐了经过冷水江、新化的方案。邵阳随即爆发签名、请愿活动，被戏称为民间保路运动，网络论坛争吵尤为激烈。
争辩中，冷水江、新化居民主要认为，铁路经过邵阳需增加14公里长度，不利于节省时间。另外铁路也应照顾到类似新化的国家级贫困县，而已规划有怀邵衡铁路的邵阳无需再多一条铁路。邵阳居民则主要认为，经过邵阳虽然路程增长，但避开了雪峰山脉，降低了施工难度。且现有铁路干线沪昆铁路已途径冷水江、新化，与之相比，途径邵阳的怀邵衡铁路只是渝厦铁路的一段。作为地级市的邵阳不能再次错过铁路干线。
最终确定的方案中，与中国大陆先前的高速铁路类似，基本符合省会优先、其余地区取直的特征，在省会长沙附近向北绕道，而娄底、怀化之间取直线。作为妥协，在邵阳市新邵县坪上镇设邵阳北站，坪上与冷水江、涟源、邵阳等地开通高速公路，在新化县洋溪镇设新化南站。但由于坪上的实际位置较邵阳市区甚远，而较冷水江、涟源反而更近，邵阳民间尚未认可。
沪昆高铁长昆段在与同属沪昆客运专线的杭长客运专线连接处向北绕道长沙，而株洲只获得了在县级市醴陵的车站，亦引发了一些争议。