เริ่มจากแยกติวานนท์ (จุดตัดระหว่างถนนติวานนท์กับถนนประชาราษฎร์) ในพื้นที่ตำบลตลาดขวัญ อำเภอเมืองนนทบุรี ไปทางทิศตะวันตกเฉียงใต้ ข้ามคลองบางตะนาวศรีเข้าสู่ตำบลบางเขน จากนั้นเข้าเขตตำบลตลาดขวัญอีกครั้งหนึ่ง ก่อนเข้าสู่ตำบลสวนใหญ่และตัดกับถนนพิบูลสงครามที่สี่แยกสะพานพระราม 5 จากนั้นซ้อนกับแนวซอยพิบูลสงคราม 13 (บุรีรังสรรค์) แล้วข้ามแม่น้ำเจ้าพระยา (โดยสะพานพระราม 5) เข้าเขตตำบลบางไผ่ ข้ามคลองบางสีทองเข้าเขตตำบลบางศรีเมือง ข้ามแนวคลองวัดสนามเข้าสู่ตำบลบางสีทอง อำเภอบางกรวย (บริเวณก่อนถึงจุดกลับรถสี่แยกบางสีทอง ซึ่งตัดกับถนนบางกรวย-ไทรน้อย) จากนั้นแนวเส้นทางมุ่งไปทางทิศตะวันตก ข้ามคลองบางกอกน้อยเข้าเขตตำบลบางขนุน เข้าเขตตำบลบางขุนกอง ข้ามคลองบางขุนกอง ผ่านวงเวียนราชพฤกษ์ (จุดตัดกับถนนราชพฤกษ์) ใกล้กับวัดซองพลู จากนั้นข้ามคลองบางไกรนอก ข้ามคลองบางราวนกเข้าสู่ตำบลบางคูเวียง และข้ามคลองบางคูเวียงไปบรรจบกับถนนกาญจนาภิเษกที่ทางแยกต่างระดับบางคูเวียง โดยในทุกแยกที่ถนนสายนี้ผ่านจะมีสะพานข้ามแยกขนาด 6 ช่องจราจร รวมระยะทางทั้งหมด 12.4 กิโลเมตร