包括隧道選線、縱斷面設計、橫斷面設計、輔助坑道設計等。
選線 根據線路標準、地形、地質等條件選定隧道位置和長度。選線應作多種方案的比較。長隧道要考慮輔助坑道和運營通風的設置。洞口位置的選擇要依據地質情況。考慮邊坡和仰坡的穩定，避免塌方。
縱斷面設計 沿隧道中線的縱向坡度要服從線路設計的限制坡度。因隧道內濕度大，輪軌間粘著系數減小，列車空氣阻力增大，因此在較長隧道內縱向坡度應加以折減。縱坡形狀以單坡和人字坡居多，單坡有利於爭取高程，人字坡便於施工排水和出碴。為利於排水，最小縱坡壹般為2‰～3‰。
橫斷面設計 隧道橫斷面即襯砌內輪廓，是根據不侵入隧道建築限界而制定的。中國隧道建築限界分為蒸汽及內燃機車牽引區段、電力機車牽引區段兩種，這兩種又各分為單線斷面和雙線斷面。襯砌內輪廓壹般由單心圓或三心圓形成的拱部和直邊墻或曲邊墻所組成。在地質松軟地帶另加仰拱。單線隧道軌面以上內輪廓面積約為27～32平方米，雙線約為58～67平方米。在曲線地段由於外軌超高車輛傾斜等因素，斷面須適當加大。電氣化鐵路隧道因懸掛接觸網等應提高內輪廓高度。中、美、蘇三國所用輪廓尺寸為：單線隧道高度約為 6.6～7.0米、寬度約為4.9～5.6米；雙線隧道高度約為7.2～8.0米，寬度約為8.8～10.6米。在雙線鐵路修建兩座單線隧道時,其中線間距離須考慮地層壓力分布的影響,石質隧道約為20～25米，土質隧道應適當加寬。
輔助坑道設計 輔助坑道有斜井、豎井、平行導坑及橫洞四種。斜井是在中線附近的山上有利地點開鑿的斜向正洞的坑道。斜井傾角壹般在18°～27°之間，采用卷揚機提升。斜井斷面壹般為長方形,面積約為8～14平方米。豎井是由山頂中線附近垂直開挖的坑道，通向正洞。其平面位置可在鐵路中線上或在中線的壹側（距中線約20米）。豎井斷面多為圓形，內徑約為4.5～6.0米。平行導坑是距隧道中線17～25米開挖的平行小坑道，以斜向通道與隧道連接，亦可作將來擴建為第二線的導洞。中國自1957年修建川黔鐵路涼風埡鐵路隧道采用平行導坑以來,在58座長3公裏以上的隧道中約有80%修建了平行導坑。橫洞是在傍山隧道靠河谷壹側地形有利之處開辟的小斷面坑道。
此外，隧道設計還包括洞門設計、開挖方法和襯砌類型的選擇等。