落马洲支线原属九广铁路公司的西铁（现称港铁西铁线）第二期的铁路，将连接将来的北环线，使西铁在新界北区与九广铁路公司的东铁连接，最终使两条铁路均能通往两个与中国大陆连接的关口（罗湖和落马洲）。不过由于西铁实际客量比预期的为低，作为一间商业机构，九铁公司决定改为先以长期有盈余的东铁连接，待乘客的乘车模式定型后，再另行决定兴建北环线与否。支线工程于2002年第四季开始，工程主要包括4大项目：隧道段、高架桥段、落马洲站，以及为现时上水站进行的改善工程。 共4张 落马洲支线
上水站
工程包括上水站的车站大堂及月台的扩阔工程，以应付于上水站下车，换乘前往落马洲站列车的客量。有关工程于2006年大致完成，大堂的新翼及连接往邻近商场的行人天桥已于1月尾开放与公众使用。此外上水站外的路轨亦已重新编排，以便列车使用原有路轨往罗湖或使用支线往落马洲。
上水站
塱原湿地
列车驶离上水站后，会驶入穿过塱原湿地的地底隧道。这个计划是经过一番激烈争论后得到的成果。在计划初期，九铁原先建议落马洲支线塱原段，会以像西铁穿过八乡等地的高架天桥形式，穿越塱原湿地。但这个计划遭到各环保团体强烈反对，指兴建高架桥时将会严重破坏塱原湿地的生境及地貌。即使九铁公司提议工程完工后会尽量回复原来面貌，但环保署长罗乐秉并不认同，并且拒绝发出环境许可证。
九铁公司不服，向环评上诉委员会上诉，但最终被驳回。最后九铁公司采纳科大教授方案，改以地底隧道形式穿过塱原湿地。虽然这个方案会使引致支线的兴建成本上升、回报率下降及完工日期押后等等，不过此方案获大多数人所接受及支持，认为是平衡生态与基建需要的可持续发展方案
古洞站
虽然支线沿途暂时将不设有车站，不过当列车驶过塱原湿地后，将会经过一个预留的地底车站－古洞站。此站的建设，是因应香港特区政府于2003年公布的研究，指出古洞北及粉岭北共689公顷的土地适合作新发展区。由于古洞很有可能成为一个新市镇，故九铁公司在计划及兴建落马洲支线时，都会预留位置给将来兴建古洞站之用。 古洞站
洲头站（暂时未兴建）
根据最新建议，北环线会于与落马洲支线汇合的洲头一带，兴建洲头站，而落马洲支线在北环线兴建时亦会兴建车站，方便北环线乘客转乘东铁（现称港铁东铁线）前往新界东。
落马洲站 落马洲站
落马洲支线的总站──落马洲站是一个4层，占地约9公顷的车站大楼。大堂里设有购物区、免税店等方便乘客。由于车站大楼同时为香港入境事务处的出入境检查之用，所以大楼内设有海关、出入境及其他重要的过境设施。乘客办妥出境手续后，会经由一条横跨深圳河，单臂斜拉式天桥步行至深圳的福田口岸联检大楼。乘客亦可于同时设于该联检大楼内的深圳地铁福田口岸站，换乘深圳地铁4号线前往深圳市其他地方。