หลักกิโลเมตรที่ 0 ของถนนพหลโยธินเริ่มต้นการนับจากอนุสาวรีย์ประชาธิปไตย ถนนราชดำเนินกลาง เขตพระนคร กรุงเทพมหานคร เช่นเดียวกับถนนสุขุมวิทและถนนเพชรเกษม และนับปกติต่อไปจนบรรจบกับทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 32 (ถนนสายเอเชีย) ที่อำเภอมโนรมย์ จังหวัดชัยนาท

ในอดีต ถนนพหลโยธินช่วงอำเภอมโนรมย์ จังหวัดชัยนาท ไปจนถึงจุดสิ้นสุดที่อำเภอแม่สาย จังหวัดเชียงราย เลขกิโลเมตรจะนับต่อเนื่องจากปลายทางทิศเหนือของถนนสายเอเชีย ซึ่งทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 32 ในอดีตก็ได้นับเลขกิโลเมตรต่อเนื่องจากถนนพหลโยธินเป็นหลัก โดยจุดเริ่มต้นทางทิศใต้ของถนนสายเอเชีย แยกจากถนนพหลโยธินบริเวณหลักกิโลเมตรที่ 52 ที่ชุมทางต่างระดับบางปะอิน อำเภอบางปะอิน จังหวัดพระนครศรีอยุธยา ซึ่งถูกกำหนดให้เป็นหลักกิโลเมตรที่ 52 ของถนนสายเอเชีย แล้วนับต่อไปเรื่อย ๆ จนถึงสุดที่หลักกิโลเมตรที่ 202 ที่แยกหลวงพ่อโอ อำเภอมโนรมย์ จังหวัดชัยนาท ซึ่งเป็นจุดบรรจบกับถนนพหลโยธินที่หลักกิโลเมตรที่ 306 แม้ว่าถนนสายเอเชียจะสิ้นสุดแล้ว และเปลี่ยนเป็นถนนพหลโยธิน แต่เลขกิโลเมตรกลับถูกนับเป็นของถนนสายเอเชียต่อไป (ตัวอย่างเช่น หลักกิโลเมตรที่ 307 ของถนนพหลโยธิน กลับถูกนับเป็นกิโลเมตรที่ 203)

ในปัจจุบัน กรมทางหลวงได้มีการปรับเปลี่ยนการนับหลักกิโลเมตรของถนนพหลโยธินและถนนสายเอเชีย ให้เป็นระยะทางที่แท้จริง โดยสำหรับถนนสายเอเชียนั้น กำหนดให้จุดเริ่มต้นเป็นกิโลเมตรที่ 0 แทนกิโลเมตรที่ 52 เดิม ไปสิ้นสุดที่กิโลเมตรที่ 150 หรือกิโลเมตรที่ 202 เดิม บริเวณจุดบรรจบถนนพหลโยธินที่แยกหลวงพ่อโอ อำเภอมโนรมย์ จังหวัดชัยนาท ส่วนถนนพหลโยธินก็ปรับเปลี่ยนเลขหลักกิโลเมตรตั้งแต่แยกดังกล่าวจนถึงอำเภอแม่สาย ให้เป็นระยะทางที่ถูกต้องโดยเปลี่ยนจากกิโลเมตรที่ 202 เดิม เป็นกิโลเมตรที่ 306 และนับต่อไปจนสิ้นสุดที่กิโลเมตรที่ 994+749 แทนกิโลเมตรที่ 891+132 เดิม บริเวณกลางสะพานข้ามแม่น้ำสาย อำเภอแม่สาย จังหวัดเชียงราย ดังนั้น การเปลี่ยนแปลงเลขหลักกิโลเมตรนี้ อาจทำให้ผู้ใช้ถนนหรือผู้สัญจรไปมาเกิดความสับสนได้