Ein Großteil der Anlage befindet sich in Tunnelbauwerken unter der Erde. Hier werden die Elektronen beschleunigt und zur Lichtaussendung gebracht.
Der zwei Kilometer lange Haupttunnel für den Teilchenbeschleuniger, der die Elektronen auf die erforderliche Energie bringt, verläuft schnurgerade zwischen den Betriebsgeländen DESY-Bahrenfeld und Osdorfer Born. Anschließend wird der Teilchenstrahl auf einen Tunnelfächer unter dem Forschungsgelände Schenefeld verteilt und erzeugt dort in speziellen Magnetanordnungen die Röntgenblitze.
Alle Tunnel liegen tief unter der Erde. Sie müssen aus Gründen des Strahlenschutzes und bautechnischen Gründen von ca. 5 bis 6 Metern Erdreich überdeckt sein. Da sie zudem weitestgehend waagerecht verlaufen sollten, liegt die Tunneloberkante in Abhängigkeit von der Geländehöhe etwa 6 bis 38 Meter tief unter der Erdoberfläche.
Der Beschleunigertunnel und die Tunnel zur Lichterzeugung haben unterschiedliche Durchmesser: Während für den Beschleuniger ein Tunnelinnendurchmesser von 5,30 Metern benötigt wird, liegt der Innendurchmesser der meisten Tunnel des Fächerbauwerks bei 4,60 Metern.
Zugang zu den Tunneln bieten Schächte, durch die auch die Komponenten für den European XFEL eingebracht und die Versorgungsleitungen geführt werden. In der Bauphase dienen sie teilweise als Start- oder Zielschächte für die Tunnelbohrmaschinen. Während des Betriebs der Anlage ist der Zugang zu den Tunneln und den angrenzenden Schachtbereichen durch ein Kontrollsystem gesperrt, nur während der Wartungsperioden dürfen die Tunnel betreten werden. Auch dann wird der Zugang zu den einzelnen Tunneln überwacht, so dass jederzeit bekannt ist, wie viele Personen sich in welchem Tunnel aufhalten.
