ถนนพระยาตรัง ปรากฏในหลักฐานของทางราชการมาตั้งแต่ปี พ.ศ. 2478 บนแผนที่แนบท้ายของพระราชกฤษฎีกาจัดตั้งเทศบาลเมืองจันทบุรี[1] สันนิษฐานว่าชื่อถนนพระยาตรังนั้น ตั้งขึ้นเพื่อเป็นเกียรติให้แก่ พระยาตรังคภูมาภิบาล ซึ่งเป็นผู้เสนอขอจัดตั้งสุขาภิบาลขึ้นในเมืองจันทบุรีในปี พ.ศ. 2451[2] และดำรงตำแหน่ง สมุหเทศาภิบาลมณฑลจันทบุรี ระหว่างปี พ.ศ. 2452-2457 (ร.ศ.128-ร.ศ.133)[3] ซึ่งแต่เดิมอาจจะใช้ชื่อเต็มของตำแหน่งคือพระยาตรังคภูมาภิบาล ต่อมามีการทอนคำ[4]จนเหลือเพียงคำว่า ถนนพระยาตรัง จนถึงปัจจุบัน

ถนนพระยาตรัง ได้รับการกำหนดหมายเลขทางหลวงเมื่อวันที่ 5 กรกฎาคม พ.ศ. 2509 ให้ทางสายพระยาตรังฯ (จันทบุรี - อำเภอท่าใหม่) เป็นทางหลวงจังหวัดหมายเลข 3153[4] ก่อนจะมีการประกาศยกเลิกระบบทางหลวงจังหวัดและปรับมาเป็นทางหลวงแผ่นดินในปี พ.ศ. 2535 ตามบทเฉพาะกาล[5]

ถนนพระยาตรังนั้นมีการกำหนดขนาดเขตทางและความกว้างของถนนไว้บนผังเมืองรวมเมืองจันทบุรี จังหวัดจันทบุรี ในปี พ.ศ. 2534 โดยในช่วงเริ่มต้นจากกิโลเมตรที่ 0+000 จากแยกพระยาตรัง เป็นถนนแบบ ค 3 ขนาดเขตทาง 20.00 เมตร มีทางเท้ากว้างข้างละ 3.00 เมตร พร้อมกับแนวต้นไม้ มีช่องเดินรถ 4 ช่องจราจร ทิศทางละ 2 ช่องจราจร ความกว้างช่องจราจรแต่ละทิศทางขนาด 3.00 เมตร และ 3.50 เมตร ตามลำดับ และมีเกาะกลางถนนขนาด 1.00 เมตร และช่วงต่อเนื่องออกนอกเมือง ใช้ถนนแบบ จ 2 ขนาดเขตทาง 30 เมตร มีพื้นที่สำหรับเผื่อการขยายผิวจราจรข้างละ 4.00 เมตร ไหล่ทางความกว้างด้านละ 2.00 เมตร มีช่องเดินรถ 4 ช่องจราจรเช่นเดียวกัน ทิศทางละ 2 ช่องจราจร ความกว้างช่องจราจรละ 3.50 เมตร พร้อมกับเกาะกลางถนนความกว้าง 4.00 เมตรพร้อมปลูกต้นไม้ ไปจนสุดแนวของผังเมืองรวมฝั่งตะวันตก[6] และลดลงเหลือ 2 ช่องจราจรสำหรับสวนทางกัน

ในปี พ.ศ. 2565 แขวงทางหลวงจันทบุรี กรมทางหลวงได้ดำเนินการก่อสร้างขยายเขตทางจากเดิม 2 ช่องจราจร ขึ้นเป็น 4 ช่องจราจรแบบมีเกาะกลาง ตั้งแต่กิโลเมตรที่ 2+535 ถึงกิโลเมตรที่ 3+240 และช่วงกิโลเมตรที่ 3+240 ถึงกิโลเมตรที่ 5+400 (ตั้งแต่แยกตากสิน ไปทางอำเภอท่าใหม่) ตามโครงการส่งเสริมการท่องเที่ยวในจังหวัดกลุ่มปราจันสระตรานคร และโครงการพัฒนาพื้นที่ระดับภาคตามลำดับ[7]