计划开设北延长线及南延长线，北延长线由广州东站至新白云机场，全长约28.9公里，建有12个车站，初步站点分别为广州东站、燕塘、梅花园、京溪南方医院、同和、永泰、白云大道北、嘉禾望岗、龙归、人和、高增、机场南及机场北，已于2010年开通，机场北站、高增站和9号线计划于2015年同时开通；南延长线由番禺广场开始，至海傍，是一条长远规划的路线，暂未有落成的时间。三号线是国内首条最高时速达到120公里的城市轨道交通快线[后被武汉使用CRH1的一条城市轨道交通快线打破纪录]，也是国内首条Y形运行模式的线路。根据2020～2040年地铁线网规划公众咨询方案，未来三号线支线天河客运站-体育西路将可能与地铁10号线合并，向西南延伸至荔湾区成为一条新的线路，三号线南北端将实现互通，实现花都到番禺1.5小时内直达；远期，地铁9号线（高增-飞鹅岭）也有可能与三号线合并，成为一条新的支线，东延段通行至海傍（因为海鸥岛成为禁建区，使3号线再向东增加海鸥岛站的方案被否决） 。地铁将开番禺广场-机场南纵贯直通车 乘客不需再在体育西换乘可减轻体育西站换乘压力体育西站日均客流量中75%都是换乘客流。南北纵贯直达后，换乘客流减少，可减轻体育西站换乘压力。北延段有望缩短行车间隔受制于体育西站列车“掉头”，目前北延段行车间隔为4分半钟，直通后行车效率将提升，行车间隔有望进入3分钟。今年内，三号线将实施新的运行模式，将开行番禺广场至机场南的南北直通车，乘客届时无需在体育西站换乘，即可从番禺、海珠直达机场。直通车带来的好处不止是少一次换乘，还意味着体育西站换乘人潮减少及三号线北延段运力提升，三号线高峰时段拥挤的局面可望缓解。今年南北车站纵贯直达广州地铁在官方网站公开了今年要完成的10件民生实事，其中对全城最挤的三号线，提出今年要加快推进设备功能调试、演练，确保2015年实施番禺广场至机场南直通交路，实现南北车站纵贯直达。三号线目前分为两段运行：番禺广场至天河客运站的主线、体育西至机场南的三号线北延段，彼此并不重叠。三号线年内要实现的运行方式是：番禺广场至天河客运站、番禺广场至机场南。届时，从番禺、海珠出发的乘客，将无需在体育西站下车换乘三号线北延段，搭一趟车就能直达机场。三号线南北贯通运营后，换乘的人少了，体育西站的负担也将减轻。广州地铁运营事业总部的数据显示，去年体育西站日均客流量为46.07万人次，其中75%都是换乘客流，为34.52万人次。如果三号线来往北延段的乘客不必再换乘，体育西站的拥挤程度可得到一定的缓解。据统计，去年三号线北延段工作日的满载率达135%，去年10月更高达142%，全年采取客流控制774站次。地铁公司研究人员指出，三号线北延段受制于体育西站的折返能力，列车“掉头”效率难以提升，行车间隔目前仍然为4分半钟，无法满足日益增长的客流需求。开通番禺广场至机场南的直通车，意味着三号线北延段将跳出体育西站的折返困局，行车间隔有望进入3分钟，现在三号线高峰时段等多趟车仍挤不上的情况将有所改观。独立两条线变重叠有难度三号线和三号线北延段目前是相互独立的关系，彼此间几乎“井水不犯河水”。实施南北直通车之后，两线将变为互相重叠的关系，开往天河客运站和机场南的列车，在体育西站以南将出现重叠运行。一旦其中一个方向的行车出现故障，可能连累另一个方向的列车运行，这对地铁运营方提出了很高的要求，因此地铁方面需要进行反复的调试和演练。天河客运站方向车会少？现在，番禺广场出发的所有列车都是开往天河客运站的，未来实施新运营模式后，将有部分列车直接前往机场南。那么，是否意味着前往石牌桥、天河客运站方向的发车密度会下降？虽然体育西站往天河客运站方向只有5个站，但统计显示，去年三号线主线日均进站客流量前五位站点中，有两站都在此段内，分别是天河客运站站和岗顶站。官方资料显示，三号线最小行车间隔为105秒。如果按照1：1开行往天河客运站和机场南的列车，那么两个方向的行车间隔均为3分半钟。对于目前间隔已经压缩到2分20秒的番禺广场至天河客运站区段而言，这等于“开倒车”，因此，有人建议按2：1发车，这样天河客运站方向的发车平均间隔为2分37秒，和目前相比运力降幅较小。不过，具体如何操作目前尚未有定论。何时实施正在研究中三号线开南北直通车，其实早已有迹可寻。有细心的乘客发现，此前只在三号线南段运行的B1旧款列车今年以来陆续投放到三号线北延段。B1列车的线路图上，北延段终点站也由过去的广州东站改为机场南。此外，站台电视已经调整显示未来三班车的到站时间和终点站，以适用于日后三号线列车有两个不同终点的新情况，和采取长短线运行的二、四号线一样。到底何时采取新的运行模式？广州地铁相关负责人表示：“三号线的事目前还在研究当中。”
