Die Hauptbahn Oldenburg-Wilhelmshaven war ursprünglich eingleisig und ist später, zunächst von Wilhelmshaven bis Sande, dann von Oldenburg bis Sande, zweigleisig mit 4,00 m Gleisabstand ausgebaut worden.

Die Bahn verläßt den auf +7,25 N.N. liegenden und mit schienenfrei zugänglichen Bahnsteigen versehenen Bahnhof Oldenburg, über dessen Gleise eine Fußgängerüberführung hinweggeht, am Westende mit einem Gefälle von 1:150, überschreitet in Schienenhöhe mehrere Straßen innerhalb der Stadt Oldenburg und wendet sich hinter dem dem Ausflugverkehr im Sommer dienenden und mit einer Fußgänger-Überführung versehenen Haltepunkt Ziegelhofstrasse (+5,10), km 0,90, in einem 1100 m langen Bogen von 942 m Halbmesser nach Norden. In einer 6935 m langen Geraden steigt sie dann, sich dem Gelände anschmiegend, vor Neusüdende bis auf +18,70, überschreitet dabei die Chaussee Oldenburg-Wiefelstede in Schienenhöhe auf Bahnhof Bürgerfeld (+8,70), km 3,27, wendet sich beim Haltepunkt Neusüdende, km 8,61, vor dem bei km 6,05 ein Anschlußgleis im Ofener Diek abzweigt, nach N.N.W. und erreicht mit kurzen Gegengefällen den auf +18,50 liegenden Bahnhof Rastede bei km 12,21. Hinter Rastede fällt die Bahn bis kurz vor dem Übergang der Chaussee Rastede-Varel auf +11,00 und steigt dann bis km 16.06 auf +15,20. Zwischen Rastede und Hahn biegt die Linie bei Rehorn mehr nach N.W. ab, geht dann, bis auf +12,30 gefallen, in der alten Richtung durch den Bahnhof Hahn, km 17,61, und das Hahner Holz und biegt, ständig weiter fallend nach N.N.O. um. Kurz vor Bahnhof Jaderberg bis auf +2,60 gefallen, steigt sie auf Bahnhof Jaderberg, km 23,43, wo ein Fußweg schienenfrei über den Bahnhof geführt ist, auf +3,20, fällt hinter Jaderberg bis auf +1,40 und steigt dann bei der Überschreitung der Wapel auf eiserner Brücke auf +1,80. Auf dieser Höhe auf 3800 m bleibend, wendet sich die Bahn nach N.W., die Marsch auf niedrigem Damm durchquerend und steigt dann bei Bahnhof Varel auf +6,50 empor.Von dem teils im Auftrage, teils im Einschnitte liegenden Bahnhof Varel, km 30,74, dessen Mittelbahnsteige durch eine Überführung für Fußgänger schienenfrei zugänglich sind, zweigen westlich die Bahn nach Bockhorn und östlich die Bahn nach Rodenkirchen und nach Varelerhafen ab. Die Straße nach dem Hafen überschreitet den Bahnhof mittels Eisenbetonbrücke. Hinter dem Bahnhof Varel fällt die Bahn, nimmt eine mehr westliche Richtung an, erreicht bei km 33,78 den Haltepunkt Dangastermoor (+4,10) und dann, weiter fallend, durch kurze Steigungen und mehrere ebene Strecken unterbrochen, nach Überschreitung des Steinhauser und Zeteler Tiefs auf eisernen Brücken den Bahnhof Ellenserdamm, km 38,92, wo nach Süden die Bahn nach Ocholt und nach Ellenserdammersiel abzweigt, auf +1,85. Von hier bis Sande sind die Höhenunterschiede nur gering; die Höhen liegen zwischen +1,85 und +2,15. Hinter dem Bahnhof Ellenserdamm läuft die Linie in fast nördlicher Richtung, das Ellenserdammersieltief auf eiserner Brücke überschneidend, an der Küste entlang. Hinter Bahnhof Sande (+1,25) km 45,01, wo die Bahn nach Jever abzweigt und eine Verbindung mit dem Werftbahnhof Sande besteht, wendet sich die Linie nach N.O. und dann nach O., immer dem Laufe der Küste folgend. Bei km 47,04 zweigt die Festungsbahn nach Rüstersiel ab. Hinter dem Bahnhof Sande steigt die Bahn nach der Überschreitung des Mariensieler Tiefs auf fester eiserner Brücke bis auf +3,90 bei der Kreuzung des Ems-Jade-Kanals auf eiserner Drehbrücke in km 48,07. Nun fällt sie, geht durch die Station Mariensiel (+3,65), km 48,11, und Rüstringen (+1,90), km 50,74, beide mit schienenfrei zugänglichen Mittelbahnsteigen, überschreitet in Schienenhöhe Straßen in Rüstringen und Wilhelmshaven, tritt in km 51,75 auf preußisches Gebiet und endet in +2,10 Höhe bei km 52,38 im Bahnhof Wilhelmshaven. Von hieraus führt ein Verbindungsgleis nach der Kaiserlichen Werft.

In Rüstringen, km 51,00, ist von der Kaiserl. Werft eine Fußwegüberführung über die Bahnhofsgleise hergestellt, die eine schienenfreie Verbindung zwischen der Eisenbahn- und Schmiedestraße ermöglicht. Auf Bahnhof Wilhelmshaven ist der Bahnübergang der Metzerstraße durch eine Fußgängerbrücke schienenfrei überführt.

Von den Stationen dienen Bürgerfeld, Neusüdende, Mariensiel und Rüstringen nur dem Personenverkehr, Dangastermoor dem Personen- und Eil-Stückgutverkehr, während die übrigen mit den Gebäuden, Gleisen und sonstigen Einrichtungen für den Personen- und Güterverkehr, sowie mit Kreuzungsgleisen versehen sind. Auch in Bürgerfeld ist ein Kreuzungsgleis vorhanden. Varel und Wilhelmshaven sind mit Wasserstation, Varel, Ellenserdamm und Wilhelmshaven mit Lokomotivschuppen, Ellenserdamm und Wilhelmshaven auch mit Lokomotivdrehscheibe ausgerüstet. Rastede, Varel und Wilhelmshaven sind Sitze von Bahnmeistereien. Auf sämtlichen Stationen ist die Bahnsteigsperre eingeführt. Bahnsteigüberdachungen sind in Rastede, Varel, Rüstringen und Wilhelmshaven vorhanden. Die Strecke ist mit durchgehender Streckenblockung ausgerüstet.

An größeren Überbrückungen von Wasserläufen sind vorhanden:

1. km 25,07, Eiserne Brücke über die Wapel mit 7,40 m Stützweite
2. km 37,92, Eiserne Brücke über das Steinhauser Tief mit 13,40 m Stützweite
3. km 38,59, Eiserne Brücke über das Zeteler Tief mit 13,40 m Stützweite
4. km 39,34, Eiserne Brücke über das Ellenserdammer Tief mit 25,20 m Stützweite
5. km 47,70, Eiserne Brücke über das Mariensieler Tief mit 12,75 m Stützweite
6. km 48,07 Eiserne Drehbrücke über den Ems-Jade-Kanal mit 2 Öffnungen von rd. 9,90 m Stützweite / 11,80 m Stützweite

An Unter- und Überführungen sind vorhanden:

1. km 0,11, Fußwegüberführung auf Bahnhof Oldenburg
2. km 0,23, Signalbrücke auf Bahnhof Oldenburg
3. km 0,86, Fußwegüberführung auf Station Ziegelhofstraße 
4. km 12,18, Personentunnel auf Bahnhof Rastede, 4,0 m weit 
5. km 23,61, Fußwegüberführung auf Bahnhof Jaderberg 
6. km 30,79, Bahnsteigüberbrückung auf Bahnhof Varel 
7. km 31,11, Straßenüberführung auf Bahnhof Varel 
8. km 48,19, Personentunnel auf Bahnhof Mariensiel, 3,50 m weit 
9. km 50,74, Personentunnel auf Bahnhof Rüstringen, 4,00 m weit
10. km 51,00, Fußwegüberführung auf Bahnhof Rüstringen (der Werft gehörend)
11. km 51,83, Fußwegüberführung auf Bahnhof Wilhelmshaven

Wichtigere Straßen- und Chausseeübergänge in Schienenhöhe befinden sich in km 0,57, 0,64, 0,84, 1,36, 3,34, 14,36, 23,20, 23,90, 33,81, 46,91, 47,68, 48,14, 51,22, 51,83.

Das größte Neigungsverhältnis beträgt 1:150, der kleinste Krümmungshalbmesser 750m. Von Oldenburg bis km 50,0 (vor Bahnhof Rüstringen) liegt in den Hauptgleisen der freien Strecke und der Bahnhöfe Rastede, Hahn, Jaderberg und Sande Oberbau der Formen 8b, De, Dh und Dh Br; in den übrigen Bahnhofsgleise und auf der Strecke von km 50,0 bis Wilhelmshaven liegt die Form 6. Die Gleisbettung besteht zwischen Oldenburg und km 50,0 auf freier Strecke und in den durchgehenden Gleisen der Bahnhöfe Rastede, Hahn, Jaderberg und Sande aus Steinschlag, in den übrigen Gleisen der Stationen und von km 50,0 bis Wilhelmshaven aus Sand.