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。”
