Im Zuge der Vorbereitungen für den Bau des Fehmarnbelt-Tunnels wurden umfangreiche Voruntersuchungen, Planungen und Umweltuntersuchungen durchgeführt. Die umfangreichste Umweltverträglichkeitsstudie Dänemarks wurde für das Projekt erstellt. Flora und Fauna an Land und im Meer wurden gründlich untersucht, um die Auswirkungen des Projekts auf die Umwelt zu minimieren. Um möglichst detaillierte Informationen über die Beschaffenheit des Meeresbodens zu bekommen, wurden etwa Hunderte Bohrproben im Fehmarnbelt entnommen und analysiert.

Parallel wurden verschiedene technische Lösungen für eine Querung des Fehmarnbelts genauer untersucht. Sowohl Brücke, Absenktunnel als auch Bohrtunnel wurden im Hinblick auf Umweltauswirkungen, Wirtschaftlichkeit, Risiken und einer Reihe weiterer Kriterien bewertet.

2011 wurde beschlossen, die Fehmarnbelt-Querung als einen 18 Kilometer langen Absenktunnel zu bauen. Dies wurde unter anderem aufgrund der guten Erfahrungen mit dem Absenktunnel bei der Öresund-Verbindung beschlossen. Ein Absenktunnel hat gegenüber einer Brücke eine Reihe von Vorteilen.

Anders als bei einer Brücke spielen Einflüssen von Wind und Wetter bei einem Tunnel keine Rolle. Auch hat er nach Fertigstellung keine erheblichen Auswirkungen auf die ihn umgebene Umwelt. Ein Bohrtunnel erwies sich als eine sehr riskante und zudem teure Lösung, da der Untergrund nicht zum Bohren geeignet ist. Gemessen an der Wirtschaftlichkeit, den Umweltaspekten und bautechnischen Risiken war daher ein Absenktunnel die beste Lösung.

Der Fehmarnbelt-Tunnel wird nach der Philosophie „Design and Build“ gebaut.
Als Bauherr hat Femern A/S, Tochtergesellschaft der staatlichen dänischen Sund & Bælt Holding, übergeordnete Anforderungen festgelegt, z.B. wie groß der Tunnel sein soll, wo er verlaufen und was er leisten soll. Die bietenden Unternehmer müssen dann sowohl einen Preis als auch eine detaillierte Lösung vorlegen. Das bedeutet, dass dieselben Unternehmer, die den Tunnel entwerfen, ihn auch letztendlich bauen.