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三号线目前分主线及支线两段。主线为[[机场]]北—番禺广场，支线为天河客运站—体育西路，两者在[[体育]]西路站交汇。
主线起始于[[白云区]]与[[花都区]]交界的[[ 广州白云国际机场| 新白云国际机场]]2号 [[ 航站楼 ]] 地下，沿机场大道和机场高速南下，下穿高增种植园，再转入106国道人和大马路段，下穿流溪河后继续沿106国道南下，经过均禾大道路口转向南，抵达广云路西侧的[[嘉禾望岗站]]。随后线转入华南快速继续南下，转入同泰路行走后进入广州大道北一直南下，在白云山东边掠过。随后在怡新路口转向东南偏南，下穿燕岭公园后到达[[广州火车东站]]，通过林和西路地底，在天河体育中心西边掠过，进入体育西路，华夏路，穿过[[珠江]]新城西部。再穿越珠江及海心沙，掠过广州塔旁。随后在广州大道南东边约六百米与其平行布置，下穿住宅区、[[海珠湖]]，经大塘安置区、沥滘村，随后下穿珠江南航道，进入番禺区。下穿厦滘村后沿新光快速路往市桥。沿光明路折向东至清河东路番禺广场站终止。
支线则起于天源路天河客运站，向东南下穿[[华南理工大学]]（五山校区）与[[华南农业大学]]。于岳洲路华南农业大学南门前设站并折向西南偏南，下穿华南理工大学及农科院附属的住宅区、[[广深铁路]]及广园快速路。在天河北路口以南重返五山路（天河科技街），再转至天河路继续往西行进。随后经过华阳街口，再以一个圆弧型路段下穿天河体育中心，折向南至体育西路，接入主线。
3号线目前设有两个车辆段，与2号线共用嘉禾车辆段，位于嘉禾望岗站东北边，3号线使用该车辆段的北半部；而专用的[[厦滘车辆段]]则位于厦滘站东边。