เส้นทางเริ่มต้นที่แยกบรมราชชนนี เขตบางกอกน้อย กรุงเทพมหานคร บรรจบกับถนนสิรินธรที่มาจากสะพานกรุงธนที่ชุมทางต่างระดับสิรินธร ข้ามคลองบางกอกน้อย และมีแนวทางขนานไปกับทางรถไฟสายใต้ ผ่านพื้นที่เขตตลิ่งชัน เขตทวีวัฒนา อำเภอพุทธมณฑล และอำเภอสามพราน ข้ามแม่น้ำนครชัยศรี ไปบรรจบกับทางหลวงหมายเลข 4 ที่อำเภอนครชัยศรี จังหวัดนครปฐม รวมระยะทาง 33.984 กิโลเมตร (หรือประมาณ 36 กิโลเมตร หากเริ่มนับกิโลเมตรที่ 0 ที่อนุสาวรีย์ประชาธิปไตย) เส้นทางมีทั้งช่วงที่อยู่ในความควบคุมของกรุงเทพมหานคร และสำนักทางหลวง 11 (กรุงเทพฯ) กรมทางหลวง โดยส่วนแรก [สี่แยกบรมราชชนนี-ก่อนถึงชุมทางต่างระดับสิรินธร (รวมอยู่)] อยู่ในเขตควบคุมของกรุงเทพมหานคร ส่วนที่สอง [ชุมทางต่างระดับสิรินธร (ไม่รวม) -ก่อนถึงชุมทางต่างระดับฉิมพลี] อยู่ในเขตควบคุมของหมวดทางหลวงตลิ่งชัน (สังกัดแขวงทางหลวงธนบุรี) และส่วนที่สาม (ก่อนถึงทางต่างระดับพุทธมณฑลสาย 4 -ทางหลวงหมายเลข 4) อยู่ในเขตควบคุมของหมวดทางหลวงนครชัยศรี (สังกัดแขวงทางหลวงสมุทรสาคร)

อนึ่ง ถนนบรมราชชนนีฟากเหนือ ช่วงตั้งแต่สี่แยกบรมราชชนนีถึงสะพานข้ามคลองบางกอกน้อย เป็นเส้นแบ่งเขตการปกครองระหว่างเขตบางกอกน้อยกับเขตบางพลัด ถนนบรมราชชนนีในกรุงเทพมหานคร มีขนาด 8-12 ช่องจราจร ส่วนในจังหวัดนครปฐมถนนจะมีขนาด 6-10 ช่องจราจร