隧道横向穿过吕梁山脉，为全线最长的隧道，设计为两座单线隧道。左线隧道起迄里程为 ZDK119+145～ZDK139+930，全长20785m；右线隧道起迄里程为YDK119+143～YDK139+915，全长20772m。进口线间距27m，出口处线间距30米。
吕梁山隧道左、右线为两座相互平行的单线隧道。左线隧道进口至ZDK119+400.48位于半径3500m曲线上，ZDK138+492.67至出口位于半径3500m曲线上，其余均位于直线上；左线隧道纵坡自进口至ZDK138+300为11‰的上坡，ZDK138+300至出口为10‰的上坡。右线隧道自进口至YDK119+276.89位于半径3500米的曲线上，YDK138+483.26至出口位于半径为3500的曲线上，其余均为直线；右线隧道纵坡自进口至YDK119+750为10.8‰的上坡，YDK119+750至YDK138+350 为11‰的上坡，下接10.7‰的上坡至YDK139+750，出口段为5.5‰的上坡。左线隧道最大埋深为587.71m，右线隧道最大埋深572m。
结合隧道内使用空间，单线隧道内行车方向右侧设置贯通整个隧道的救援通道；两隧道之间结合综合洞室布置，每420m设置一处横通道，两座单线隧道互为疏散通道。
Ⅳ标为吕梁山隧道出口段，左线起迄里程为ZDK129+235～ZDK139+930，长10695m；右线起迄里程为YDK129+235～YDK139+915，长10680m。工程位于山西省吕梁地区汾阳市与吴城镇的交界处。吕梁山隧道设计采用5座施工斜井。其中本标段设置了3座斜井，分别是3＃、4＃（九里湾左、右）斜井和5＃（东川）斜井。
3＃、4＃（九里湾左、右）斜井分别与吕梁山隧道在右线里程YDK132+035、YDK132+140.71处交会，与线路前进方向夹角为45°，倾角6.56°，斜井长度分别为1783m、1770m；
5＃（东川）斜井与吕梁山隧道在右线里程YDK135+770处交会，与线路前进方向夹角为143°，倾角6.79°，斜井长度为1190m；