ถนนนิตโยเริ่มจากบริเวณห้าแยกวงเวียนน้ำพุ ซึ่งเป็นจุดตัดระหว่างถนนทหาร ถนนอุดรดุษฎี ถนนอดุลยเดช และถนนโพศรีทั้งฝั่งทิศตะวันตกและทิศตะวันออกของวงเวียน (ถนนทหาร และถนนอุดรดุษฎี เป็นส่วนหนึ่งของทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 2) ในเขตเทศบาลนครอุดรธานี จังหวัดอุดรธานี มีเส้นทางไปทางทิศตะวันออก ผ่านเทศบาลตำบลหนองบัวในเขตอำเภอเมืองอุดรธานี ผ่านอำเภอหนองหาน อุทยานประวัติศาสตร์บ้านเชียง และเข้าสู่เขตจังหวัดสกลนครที่อำเภอสว่างแดนดิน ผ่านอำเภอสว่างแดนดิน อำเภอพังโคน อำเภอพรรณานิคม อำเภอเมืองสกลนคร เทศบาลตำบลท่าแร่ อำเภอกุสุมาลย์ และเข้าสู่เขตจังหวัดนครพนมที่อำเภอเมืองนครพนมไปบรรจบเส้นทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 212 (ถนนสุนทรวิจิตร) ในเขตเทศบาลเมืองนครพนม รวมระยะทางทั้งสิ้นประมาณ 240.746 กิโลเมตร

ถนนนิตโยเดิมมีชื่อเรียกว่า "ทางหลวงแผ่นดินสายอุดรธานี-ธาตุนาเวง-นครพนม"[1] ได้รับการตั้งชื่อดังกล่าวเมื่อวันที่ 10 ธันวาคม พ.ศ. 2493[1] ในสมัยที่จอมพล ป. พิบูลสงครามเป็นนายกรัฐมนตรี เพื่อเป็นเกียรติแก่นายโสภณ นิตตะโย อดีตนายช่างกำกับแขวงการทางชุมแพ[1]