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Construite sur le plateau de l'Arbois, la gare d'Aix-en-Provence TGV est située à 7 km au nord-est de Vitrolles et environ 15 km au sud-ouest d'Aix-en-Provence, à l'intersection de la LGV et de la route départementale 9. À cheval sur la commune d'Aix-en-Provence et celle de Cabriès, elle est géographiquement plus proche de la ville de Vitrolles que d'Aix-en-Provence. Bien que le plateau de l'Arbois soit très peu urbanisé, une grande partie du nord de l'agglomération marseillaise, y compris l'aéroport de Marseille Provence, est à 10 ou 15 km de la gare TGV. La situation en terminus de la gare Saint-Charles au centre de Marseille rendent cette gare intéressante pour la desserte en chapelet de l'agglomération marseillaise, de Toulon et de la côte d'Azur sans retournement, avec un gain de 10 à 15 minutes sur le temps de trajet.