กระทรวงคมนาคม โดย รฟท. ได้ขออนุมัติดำเนินโครงการฯ ระยะที่ 2 ประกอบด้วย การดำเนินการใน 2 ส่วน ได้แก่
ส่วนที่ 1 การก่อสร้างทางรถไฟเชื่อมต่อเส้นทางรถไฟความเร็วสูงจากโครงการฯ ระยะที่ 1 ที่จะเริ่มต้นที่จังหวัดนครราชสีมา ไปจนถึงจังหวัดหนองคาย วงเงิน 335,665.21 ล้านบาท ระยะทาง 357.12 กม. ประกอบด้วย 5 สถานี ได้แก่ (1) สถานีบัวใหญ่ (2) สถานีบ้านไผ่ (3) สถานีขอนแก่น (4) สถานีอุดรธานี และ (5) สถานีหนองคาย โดยจะเริ่มก่อสร้างในปีงบฯ 68 และคาดว่าจะแล้วเสร็จในปีงบฯ 75 (รวม 8 ปี)
ส่วนที่ 2 การก่อสร้างศูนย์เปลี่ยนถ่ายสินค้านาทา วงเงิน 5,686.21 ล้านบาท ตั้งอยู่ที่จังหวัดหนองคาย ซึ่งเป็นการก่อสร้างศูนย์บริการเปลี่ยนถ่ายสินค้าทางรถไฟ ทั้งขาเข้า - ขาออก ระหว่างทางขนาด 1 เมตร ของรถไฟไทย และขนาดทางมาตรฐาน 1.45 เมตร ของโครงการรถไฟลาว – จีน ในรูปแบบศูนย์บริการแบบเบ็ดเสร็จ (One stop service)
สำหรับโครงการฯ ระยะที่ 2 เมื่อพิจารณา EIRR เชิงกว้าง กรณีโครงการฯ ระยะที่ 1 + 2 พบว่า มีอัตราผลตอบแทนทางเศรษฐกิจอยู่ที่ร้อยละ 13.23 ซึ่งยังมีความคุ้มค่าทางเศรษฐศาสตร์ อีกทั้ง คกก.การรถไฟฯ มีมติเห็นชอบโครงการฯ ระยะที่ 2 และ คกก.สิ่งแวดล้อมฯ ได้เห็นชอบรายงาน EIA ของโครงการฯ ระยะที่ 2 ด้วยแล้ว