La branche Sud est constituée d’une ligne nouvelle d’environ 157km reliant la branche Est de la LGV Rhin-Rhône à l’agglomération lyonnaise et la LGV Sud Est qui doit (selon le cahier de charges validé par le Ministre chargé des Transports en 2003) : 
- passer entre Louhans et Lons-le-Saunier en y prévoyant une gare nouvelle
- desservir Dole et Bourg-en-Bresse
- s’articuler au mieux avec la ligne du Haut Bugey
- aboutir au centre de Lyon et à Lyon Saint Exupéry
- préserver une desserte TGV de qualité dans le Val de Saône
Le projet représente un maillon stratégique du réseau à grande vitesse entre l’Europe de Nord et l’arc méditerranéen jusqu’en Espagne, et fait partie, avec les branches Est et Ouest de la LGV Rhin-Rhône, des projets prioritaires du Réseau transeuropéen de transport. Il figure dans le réseau central du RTE-T à réaliser avant 2030.
En France le projet permet un gain de temps de parcours important entre le Grand Est de la France et la région Auvergne-Rhône-Alpes, avec un meilleur temps de parcours estimé entre Strasbourg et Lyon de 2h16.
Il contribue, par des aménagements concomitants, à l’amélioration du réseau existant, notamment sur les lignes entre Dijon et Lyon (PLM, lignes de la Bresse, du Revermont et de la Dombes). La ligne répond aussi aux enjeux de transport de marchandises en permettant de libérer de la capacité pour le fret sur les voies ferrées existantes. Les études préliminaires ont d’ailleurs étudié un scénario avec une ligne mixte (voyageurs et fret). Enfin elle préfigure, en association avec la branche Ouest de la LGV Rhin-Rhône, un axe alternatif à la LGV Sud-Est pour désaturer cette dernière et assurer un écoulement des circulations en cas d’incident sur la LN1.
Située sur un corridor Nord-Sud européen, la branche Sud achève la liaison entre les régions les plus actives et riches de l’Europe en intégrant dans cette dynamique certains territoires situés actuellement plus en marge. Les régions Bourgogne-Franche-Comté et Grand Est bénéficieront d’un important gain d’accessibilité et la région Auvergne-Rhône-Alpes, qui constitue déjà une puissance économique importante, profitera d’un renforcement de sa position de carrefour au niveau européen et de son rayonnement national. Les régions étrangères proches du projet (notamment l’arc lémanique de la Suisse et l’Allemagne méridionale) bénéficieront également d’un gain d’accessibilité.
La branche Sud, avec la desserte du bassin dolois, des bassins lédoniens et louhannais par la gare bressane, et du bassin burgien, permettra de répondre aux grands enjeux socio-économiques des territoires traversés, en renforçant leur attractivité. L’irrigation des territoires sera favorisée par l’influence élargie des zones de chalandise des gares situées environ tous les 60 kilomètres qui permettent de mieux couvrir les espaces intermédiaires, et par le renforcement de l’offre TER.
Branche Sud : Dossier de consultation 2009
Le projet aura des conséquences positives sur l’ensemble du réseau ferroviaire et du trafic de voyageurs et de fret entre Dijon et Lyon, et au-delà. Il sera coordonné avec les grands projets ferroviaires de fret (le contournement ferroviaire de l’agglomération lyonnaise, le projet Lyon-Turin) en incluant l’analyse de l’amélioration du fonctionnement des nœuds ferroviaires dijonnais et lyonnais dont le trafic fret devrait augmenter avec le renforcement du corridor fret Mer du Nord Méditerranée.
La branche Sud a fait l’objet d’un débat public en 2000. Les études préliminaires réalisées sous maîtrise d’ouvrage RFF en 2006 ont été financées selon une convention de financement signée le 21/10/2004 entre l’Etat, RFF et les Régions Alsace, Bourgogne, Franche-Comté, Lorraine et Rhône-Alpes pour un montant de 7,92 M€. Les études préliminaires ont été achevées en 2009 et le fuseau retenu par RFF a été soumis pour approbation ministérielle en 2010 (sans suite depuis). A l’époque RFF préconisait un fuseau Est en jumelage avec l’autoroute A39 et une mixité des trafics fret et voyageurs (vitesse limitée à 270 km/h et 220 km/h), ce qui n’a pas fait l’unanimité auprès des partenaires du projet.