Theo Quyết định số 590/QĐ-TTG của Thủ tướng Chính phủ về việc Phê duyệt Điều chỉnh Quy hoạch Cảng hàng không quốc tế Nội Bài-thành phố Hà Nội giai đoạn đến năm 2020 và định hướng sau năm 2020[13] ngày 20 tháng 8 năm 2008, ngoài các hạng mục quy hoạch tầm nhìn tới 2020 mà hiện nay cơ bản đã hoàn thành như bổ sung đường cất hạ cánh thứ 2 (đường băng 1B) dài 3800 m, hệ thống đường lăn, nhà khách VIP, nhà ga quốc tế T2, còn có những hạng mục khác nhằm đáp ứng tiêu chuẩn sân bay cấp 4F theo phân cấp của ICAO. Đặc biệt trong đó là việc xây dựng mới đường cất hạ cánh thứ 3 (đường băng số 2A) kích thước 4000 x 60 m; và các nhà ga hành khách T3, T4.

Ngày 14 tháng 7 năm 2015 Cục Hàng không Việt Nam báo cáo Bộ Giao thông Vận tải về phương án xây dựng đường cất, hạ cánh thứ 3 tại Cảng hàng không quốc tế Nội Bài. Theo Cục trưởng Cục Hàng không Việt Nam Lại Xuân Thanh, việc xây dựng thêm đường cất hạ cánh số 3 này nhằm để đảm bảo tổng công suất thông qua cảng sau năm 2020 đạt 50 triệu hành khách/năm theo đúng quy hoạch được duyệt tại Quyết định số 590 của Thủ tướng Chính phủ.[14] Trong báo cáo này, Cục Hàng không Việt Nam đưa ra ba phương án:

1. Phương án 1 xây dựng đường cất hạ cánh số 3 cùng các công trình kỹ thuật như nhà ga hành khách, sân đỗ, đường lăn và các công trình phụ trợ về phía Nam của cảng hiện nay, cách đường cất hạ cánh số 1A là 1.700m, cách đường cất hạ cánh 1B là 1.950m, đảm bảo phương án hai đường hoạt động song song độc lập là 1A với đường số 3 (hoặc 1B với đường số 3). Ước tính tổng mức đầu tư 75.987 tỷ đồng, trong đó công tác giải phóng mặt bằng lên tới gần 40.800 tỷ đồng.[15] Đây là phương án phù hợp nhất với quyết định số 590/QĐ-TTG của Thủ tướng Chính phủ.
2. Phương án 2 xây dựng đường cất hạ cánh số 3 về phía Bắc và khu vực nhà ga, sân đỗ tàu bay đồng bộ phía Tây của Cảng Nội Bài, cách đường số 1B (11R-29L) 1.035m, cách đường cất hạ cánh 1A 785m, thuộc địa phận các xã Quang Tiến, Mai Đình, Phú Minh, huyện Sóc Sơn, Hà Nội (đảm bảo hoạt động song song, độc lập với đường số 1B). Sân bay Nội Bài sẽ có 2 đường băng cho phép cất hạ cánh đồng thời, còn đường cất hạ cánh 1A được chuyển thành đường lăn. Tổng kinh phí đầu tư ước tính khoảng 38.802 tỷ đồng.
3. Phương án 3 xây dựng đường cất hạ cánh số 3 về phía Bắc có vị trí tương tự như phương án 2, nhưng cấu hình khu bay được xác định gồm ba đường cất hạ cánh, trong đó có hai đường cất hạ cánh hoạt động song song độc lập là 1B với đường thứ 3. Đường 1A hoạt động song song phụ thuộc với hai đường còn lại. Ở phương án này, khu vực nhà ga hành khách sẽ được xây dựng ở vị trí tiếp giáp phía Bắc đường Võ Văn Kiệt, phía Đông của cảng Nội Bài. Hệ thống sảnh chờ bố trí giữa đường cất hạ cánh 1A và đường thứ 3.[14] Tổng kinh phí 41.800 tỷ đồng.

Trong ba phương án nói trên, Cục Hàng không xác định phương án 2 là tối ưu.