La linea, a binario unico non elettrificato, misura 7,960 chilometri. Comprende le due stazioni di Colle val d'Elsa e Poggibonsi più una piccola fermata a metà percorso (km 3+479) nei pressi de La Rocchetta. La ferrovia corre lungo la sinuosa valle del fiume Elsa allacciandosi alla Siena-Empoli pochi metri prima della stazione di Poggibonsi.
La linea ha caratteristiche tecniche uniche in Italia. Le più note sono le curve strettissime delle quali rimane, tuttora ben visibile, una curva di soli 100 metri di raggio. Praticamente unica sulla rete FS è posta poco prima del segnale di protezione della stazione di Colle, lato Poggibonsi. Altra particolarità della ferrovia colligiana è una livelletta di 101,2 metri dalla pendenza del 23,12 per mille, la massima dell'intera linea. Le altre livellette formano un totale di oltre 1000 metri con pendenze che oscillano dal 15 per mille al 21,30 per mille. L'armamento originale, è ormai scomparso del tutto, ma sappiamo che alla sua inaugurazione la FCP era armata con rotaie di tipo Vignoles da 24,5 Kg/m in barre da 7 e 10 metri. Successivamente parte di queste rotaie fu sostituito dalle Vignoles da 27,6 kg/m in barre da 12 metri, provenienti dalla FMF. Tra il 1929 e il 1934, fu nuovamente sostituito parte dell'armamento: quando le FS presero in gestione la linea, questa figurava sia con le rotaie citate in precedenza che con le Vignoles da 30 kg/m in barre da 12 metri. Tale miscellanea rimarrà fino al 1959 quando le FS, sostituiranno tutto l'armamento con rotaie usate del tipo 36 RA. Il metodo di fissaggio è rimasto comunque invariato negli anni, con attacchi diretti mediante arpioni e caviglie.
Per quanto riguarda le opere d'arte risultano cinque ponti in muratura. Tre di questi, i più importanti, attraversano il fiume Elsa; inoltre esistono
un sovrappasso in ferro e due ponticelli minori. Il ponte più importante è sicuramente quello alla progressiva km 4+749. Distrutto nel 1928 da una piena dell'Elsa, fu prima ricostruito in legno dalla FCP e venne poi sostituito con una grande travata metallica dalle FS. Tuttavia, oggetto di un'accurata revisione nel dopoguerra, è giunto a noi completamene ricostruito in muratura. Ora presenta un arco centrale a tre cerniere da 25 metri di luce, più due piccole luci da quattro metri ciascuna. Gli altri due ponti sull'Elsa sorgono uno poco prima de La Rocchetta e l'altro alle porte di Poggibonsi. Quello nei pressi de La Rocchetta detto anche Ponte dell'Armi, presenta due sole luci, con archi a sesto ribassato, delle quali solo una si apre sul letto del fiume. Il terzo ponte a ridosso di Via Dante è costituito da tre luci.
La segnalazione sulla linea è di due tipi: semaforica e luminosa. I segnali luminosi erano visibili in stazione a Poggibonsi (segnale di partenza binario I) e poco prima dell'innesto sulla Siena-Empoli (segnale di protezione a vela tonda nella curva tra via Dante e via XX Settembre). A Colle rimane la più obsoleta ma caratteristica segnalazione semaforica. Lungo via Gramsci, proprio presso la curva più stretta della linea, è ancora visibile il vecchio segnale ad ala di 2° categoria posto a protezione della stazione.
Sempre in tema di circolazione la velocità massima consentita in piena linea è di 35 chilometri orari. Dalla stazione di Poggibonsi, per qualche centinaio di metri, la velocità è ridotta a 10 km/h, come del resto da Colle fino al passaggio a livello alla progressiva km 1+354. Un'altro rallentamento è quello di 6 km/h alla progressiva km 6+595. Questo limite vige per circa 50 metri ed ha reso necessaria l'installazione di speciali tachigrafi sulle Aln772 che percorrevano la linea. Si contano, infine, 13 passaggi a livello di cui 3 risultano privati (zona via Gramsci a Colle). Dei rimanenti dieci, tre sono comandati a distanza dalle due stazioni. Gli altri non hanno barriere ed alcuni, secondo i fascicoli, sono totalmente incustoditi.
