Đối với thành phố phía Tây, phạm vi nghiên cứu bao gồm đô thị Hòa Lạc và đô thị Xuân Mai, nghiên cứu phát triển mở rộng ra đến sông Tích, sông Bùi. Hà Nội dự kiến đây là thành phố khoa học công nghệ và giáo dục đào tạo.
Quy mô khoảng 251km2, dân số đến năm 2045 là khoảng 1,2 triệu người, với đơn vị hành chính là 16 phường và 8 xã.
Thành phố phía Tây được định hướng xây dựng mô hình đô thị kép song hành cùng hỗ trợ nhau giữa hiện đại - sinh thái, cao - thấp tầng. Khoảng cách đi lại giữa hai trung tâm thành phố đảm bảo trong vòng 15 phút bằng các phương tiện công cộng.
Trong đó, đô thị Hòa Lạc sẽ trở thành trung tâm nghiên cứu có các trường đại học, có khu công nghệ cao, trung tâm thí nghiệm, nhấn mạnh công nghệ số, trí tuệ nhân tạo, công nghệ bán dẫn, ứng dụng và chuyển giao công nghệ đi cùng các chính sách hỗ trợ ưu tiên thu hút nhân lực chất lượng cao, doanh nghiệp đến làm việc, sinh sống.
Đô thị Xuân Mai sẽ trở thành trung tâm giáo dục, nghiên cứu và các dịch vụ hỗ trợ khởi nghiệp, nghiên cứu, phòng thí nghiệm...
Khu vực này cũng dự kiến hình thành đô thị du lịch nghỉ dưỡng, trung tâm vùng phía Tây Hà Nội được xây dựng trên cấu trúc địa hình tự nhiên gắn kết với hệ thống Ba Vì - Đồng Mô và sông Tích, hệ thống hạ tầng kỹ thuật quốc gia như Quốc lộ 21, đường Hồ Chí Minh...
Ngoài định hướng quy mô của hai thành phố mới, tờ trình của UBND TP Hà Nội cũng đề cập đến quy hoạch đô thị vệ tinh Sơn Tây mở rộng từ thị xã Sơn Tây về phía Tây kết nối với vùng cảnh quan Ba Vì, hồ Suối Hai trở thành trung tâm hỗ trợ dịch vụ du lịch của vùng phía Tây Bắc thủ đô.
Trong khi đó, đô thị vệ tinh Phú Xuyên sẽ là cửa ngõ phía nam Hà Nội, tập trung nhiều đầu mối giao thông quốc gia như: Quốc lộ 1A, cao tốc Bắc Nam, đường sắt Bắc Nam; cao tốc Tây Bắc - Quốc lộ 5 và cảng sông Vạn Điểm.
UBND TP Hà Nội cũng cho rằng các khu công nghiệp Phú Xuyên là nơi thuận lợi để di dời công nghiệp từ các khu vực nội đô, khu vực Hà Tây (cũ) tới và phù hợp phát triển dịch vụ trung chuyển hàng hóa.