Những năm 1995-1996, Đào Ngọc Nghiêm, nguyên Kiến trúc sư trưởng thành phố Hà Nội, đã theo đoàn khảo sát của Hà Nội đi thăm các nước có hệ thống vận tải khối lượng lớn. Dân số Hà Nội khi đó đã vượt quá con số một triệu người. Đường sắt đô thị trở thành đề tài cấp thiết.[1] Năm 1998, Thủ tướng chính phủ phê duyệt điều chỉnh quy hoạch chung của thủ đô đến năm 2020, đặt ra 5 tuyến đường sắt đô thị, trong đó thống nhất đặc trưng của đường sắt đô thị Hà Nội là kết hợp cả đoạn đi ngầm và đoạn đi trên cao.[1][2]

Ý tưởng thực hiện tuyến đường sắt đô thị Cát Linh - Hà Đông xuất hiện từ năm 2003, khi Hà Đông vẫn còn là trung tâm của tỉnh Hà Tây và là thành phố gần Hà Nội nhất, và hướng đi Hà Đông lại khó mở rộng do vướng các công trình hai bên đường Nguyễn Trãi. Dự án đường sắt Cát Linh - Hà Đông được kỳ vọng là cầu nối liên kết vùng, để giải quyết áp lực giao thông và áp lực dân số của hai thành phố.[1] Năm 2008, dự án được ký kết với chủ đầu tư là Bộ Giao thông Vận tải và chính thức được khởi công vào tháng 11 năm 2011. Cũng trong năm 2011, quy hoạch đường sắt đô thị Hà Nội được nâng lên thành 8 tuyến và 10 nhánh. Những quy hoạch thủ đô về sau này đều thống nhất số tuyến theo quy hoạch năm 2011.[1]