Aufgeteilt ist es in fünf Linienäste nach Poppenbüttel und Wedel (S1), Aumühle (S21), Neugraben (S3) und Elbgaustraße/Pinneberg (S21, S3). Eine neue Strecke von Ohlsdorf zum Flughafen Fuhlsbüttel („Hamburg Airport“) ist im Bau und soll voraussichtlich 2008 in Betrieb genommen werden.

Im Innenstadtbereich verzweigen sich die Linien mit einstelliger Nummer auf die „City-S-Bahn“ über Jungfernstieg/Landungsbrücken und mit zweistelliger Nummer auf die „Verbindungsbahn“ über Dammtor/Sternschanze. Ergänzend fährt die Linie S31 von Altona nach Hauptbahnhof, so dass jede Zweigstrecke in der Innenstadt von zwei Linien bedient wird. Zur Verstärkung werden montags bis freitags in der Hauptverkehrszeit die Linien S11 (Ohlsdorf - Blankenese) und S2 (Bergedorf - Altona) eingesetzt; außerdem fährt die Linie S31 tagsüber weiter bis Harburg Rathaus oder Neugraben.

Das Hamburger Schnellbahnnetz (Version von Ingo Lange) in der grafischen Übersicht.

Stadt- und Vorortbahn, Verbindungsbahn
Beim Bau der elektrischen „Stadt- und Vorortbahn“ mit 6.300 Volt/25 Hz-Fahrleitung zwischen Ohlsdorf und Blankenese (heute Linien S1/11) vom Jahr 1900 an wurden die Gleise gleich im Einschnitt oder auf neu geschütteten Dämmen verlegt, um höhengleiche Kreuzungen mit Straßen und Wegen zu vermeiden. Als „Verbindungsbahn“ wird dabei die 1893 aus dem Straßenniveau auf einen Damm gelegte zweigleisige Strecke von Hauptbahnhof über Dammtor nach Altona bezeichnet. Sie erhielt Anfang des letzten Jahrhunderts zwei weitere Gleise, auf denen seither die S-Bahn fährt. Auch die 1918 von Ohlsdorf bis Poppenbüttel fertiggestellte Verlängerung, die ab 1924 ebenfalls elektrisch befahren wurde, kommt ohne Bahnübergänge aus. Eine Ausnahme bildet die 1883 eröffnete, auf Straßenniveau liegende Strecke von Blankenese Richtung Wedel, die seit 14. Mai 1950 bis Sülldorf und 22. Mai 1955 bis Wedel elektrisch mit Gleichstromfahrzeugen befahren wird. Hier waren allein neun Bahnübergänge zu finden, von denen einer Ende der 1950-er Jahre und zwei weitere durch Höherlegung der Strecke im Bereich Iserbrook im Mai 1978 aufgehoben werden konnten. Im Zuge eines größeren Straßenbauprojektes wurde 1983 der ebenerdig liegende Bahnhof Rissen einige Meter weiter nördlich in einen Einschnitt verlegt und damit drei weitere Bahnübergänge überflüssig.

Bergedorfer S-Bahn
Der Bau der Gleichstrom-S-Bahn von Berliner Tor nach Bergedorf (heute Linien S21/S2) war durch Montieren von Stromschienen an den durch die Teilung Deutschlands nur noch selten genutzten Fernbahngleisen Richtung Berlin sehr leicht möglich. Am 1. Juni 1958 wurde der Betrieb aufgenommen und im Juni 1969 bis Aumühle verlängert. Bis Bergedorf verläuft die Strecke auf einem Damm und wechselte dann bis Aumühle zwischen Damm, Einschnitt und ebenerdiger Führung mit vier Bahnübergängen durch den Sachsenwald. Nach der 1990 vollzogenen Wiedervereinigung beider deutscher Staaten wurde aufgrund des Ausbaus der Fernbahnstrecke im Rahmen der „Verkehrsprojekte Deutsche Einheit Nr. 2“ 1994 die Gleichstrom-S-Bahn zwischen Bergedorf und Aumühle vorübergehend eingestellt und durch dieselbespannte Nahverkehrszüge ersetzt. Gleichzeitig begann im Abschnitt Bergedorf - Berliner Tor schrittweise die Trennung der Fern- und S-Bahn-Gleise. Seit 1. Juni 1997 fährt die S-Bahn auf eigenen Gleisen und ohne Bahnübergänge wieder bis Reinbek.
Nach der Herstellung besonderer, nun von der Fernbahn getrennter S-Bahn-Gleise über Wohltorf an ihren ursprünglichen Endpunkt Aumühle (bis Wohltorf zweigleisig, ab dort bis Aumühle eingleisig) rollen seit dem 26. Mai 2002 wieder Gleichstromzüge bis in den Sachsenwald.

Am 30. Mai 1999 wurde zwischen Nettelnburg und Mittlerer Landweg die Haltestelle Allermöhe zum Anschluss eines neuen Wohngebietes an das Schnellbahnnetz in Betrieb genommen.

Pinneberger S-Bahn
Ende der 1950-er Jahre begann von Altona aus der Bau der „Pinneberger S-Bahn“ (heute S21/S3) auf der Trasse der AKN (Aktiengesellschaft Altona-Kaltenkirchen-Neumüster, Betreiber der heutigen Linien A1-A3). Der Endpunkt dieser Bahn war ursprünglich der Kaltenkircher Platz in Altona. Mit dem stückweisen Ausbau der S-Bahn wurde die AKN im Februar 1962 zunächst bis Langenfelde und nach Verlängerung der S-Bahn im September 1965 bis Elbgaustraße an ihren heutigen Endpunkt Eidelstedt zurückgenommen. Noch heute verfügt die AKN über ein Gütergleis von Eidelstedt bis zur Großen Bahnstraße nahe Diebsteich.
Seit September 1967 fährt die Gleichstrom-S-Bahn weitgehend in Dammlage parallel zur Fernbahnstrecke Altona - Elmshorn bis Pinneberg. Noch vorhandene Bahnübergänge im Abschnitt Halstenbek - Pinneberg wurden im Zuge des Ausbaus beseitigt.

City-S-Bahn
Die erste Tunnelstrecke der S-Bahn in Hamburg war die im Juni 1975 eröffnete „City-S-Bahn“ (heute Linien S1/S2/S3), die weitgehend in offener Bauweise erstellt wurde. Besonders hervorzuheben ist der direkt unter der Binnenalster liegende Schnellbahnknoten Jungfernstieg, wo sich die S-Bahn auf ihrem Weg zu den Landungsbrücken zwischen der darüber liegenden U-Bahn-Linie U1 und der darunter befindlichen U2 hindurchwindet.
Im April 1979 konnte die Verlängerung bis Altona und damit eine neue Verbindungsstrecke durch die Stadt in Betrieb genommen werden. Gleichzeitig mit dem Bau der City-S-Bahn musste der alte Altonaer Kopfbahnhof mit seinen großzügigen Gebäuden und Bahnsteighallen einem Neubau weichen. Die S-Bahn erhielt damit im Tiefgeschoss einen Durchgangsbahnhof, während die Fernbahngleise nach wie vor stumpf an Prellböcken enden.

Harburger S-Bahn
Eine besonders imposante Strecke ist die 1983/84 eröffnete Harburger S-Bahn (Linien S3/S31), die sich schon vom Hauptbahnhof an über steile Rampen und eine auf Stelzen geführte Trasse mit futuristisch anmutenden Bahnhof ihren Weg durch den Stadtteil Hammerbrook gen Harburg bahnt. Auf zwei gewaltigen Brücken in Stahlkonstruktion wird zunächst der Oberhafen und gleich dahinter die Norderelbe überquert. Parallel zur Fernbahn und nach zwei Halten auf der Elbinsel kreuzt die S-Bahn die Süderelbe und verschwindet mit 100 km/h im Tunnel, unterquert dabei in einem eleganten Bogen den Fernbahnhof samt der Innenstadt von Harburg, um erst in Heimfeld wieder ans Tageslicht zu gelangen. Von hier an folgt sie der Fernbahntrasse in Richtung Neugraben.
Die Harburger S-Bahn ist der einzige Ast des Streckennetzes, auf dem zwischen Hauptbahnhof und Harburg Rathaus an Werktagen aufgrund des äußerst hohen Verkehrsaufkommens ein von morgens bis abends durchgehender 5-Min.-Takt angeboten wird.

Neubaustrecken, weitere Planungen
Konkretes Neubauprojekt ist der Anschluss des Flughafens („Hamburg Airport“) vom Bahnhof Ohlsdorf aus an das S-Bahn-Netz. Am 18. Februar 1999 gab es „grünes Licht“ zum Bau der Flughafen-S-Bahn. Nach der Entscheidung über Klagen der betroffenen Anwohner zum Planfeststellungsbeschluss wurden im Jahr 2000 die Verträge über Finanzierung, Bau und Betrieb abgeschlossen und mit den Arbeiten begonnen. Ende 2005 war die erste der zwei mit Hilfe des Schildvortriebverfahrens entstehenden Röhren im Rohbau fertiggestellt, Anfang 2006 wurde mit dem Bau der zweiten Röhre begonnen. Für das Jahr 2008 ist die Betriebsaufnahme vorgesehen.

Für Ende 2007 geplant ist die Anbindung von Buxtehude und Stade im Südwesten Hamburgs an den S-Bahn-Verkehr. Hierzu wird allerdings nicht die Stromschiene verlängert, sondern es kommen spezielle „Zweisystem-Fahrzeuge“ (1,2 kV Gleichspannung über Stromschiene und 15 kV Wechselspannung mit 16,7 Hz über Oberleitung) zum Einsatz: Vom Endpunkt der Stromschiene in Neugraben bis Stade erhalten sie ihre Fahrspannung über einen auf dem Dach montierten Stromabnehmer aus der Fahrleitung der Fernbahn.

Weitere Planungen existieren für die Herstellung der Zweigleisigkeit zwischen Blankenese und Rissen (Linie S1), den Ausbau des Netzes der Gleichstrom-S-Bahn von Eidelstedt bis Burgwedel (jetzt A1), Hasselbrook bis Rahlstedt und Pinneberg bis Elmshorn (jetzt R10 bzw. R60/R70, beide DB Regio Regionalbahn Schleswig-Holstein GmbH).