ถนนรังสิต–นครนายกเริ่มต้นจากถนนพหลโยธิน ที่บริเวณทางแยกต่างระดับที่รังสิต ที่หลักกิโลเมตรที่ 32 ในท้องที่ตำบลประชาธิปัตย์ อำเภอธัญบุรี จังหวัดปทุมธานี มีแนวถนนเลียบไปกับคลองรังสิตประยูรศักดิ์ ตัดกับถนนกาญจนาภิเษก ที่ทางแยกต่างระดับธัญบุรีตรงหลักกิโลเมตรที่ 9 ตัดกับถนนลำลูกกา–วังน้อย (ทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 352) ที่หลักกิโลเมตรที่ 14 และตัดกับทางหลวงชนบท ปท.3004 ที่หลักกิโลเมตรที่ 15 จากนั้นจึงเข้าเขตจังหวัดนครนายก โดยผ่านท้องที่อำเภอองครักษ์ ลอดใต้ทางรถไฟสายชุมทางคลองสิบเก้า-ชุมทางแก่งคอย จากนั้นจึงแยกออกจากแนวคลองรังสิตประยูรศักดิ์แล้วไปตัดกับถนนบางน้ำเปรี้ยว–องครักษ์ (ทางหลวงชนบท นย.3001) ที่ทางแยกองครักษ์ ตรงหลักกิโลเมตรที่ 44 ข้ามคลองอุโมงค์ ตรงหลักกิโลเมตรที่ 47 จากนั้นเริ่มต้นเลียบคลองฝั่งขวาแล้วจึงผ่านท้องที่อำเภอบ้านนา ตัดกับทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 3051 และในเขตอำเภอเมืองนครนายก ตัดกับทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 3428 ที่หลักกิโลเมตรที่ 67 ตัดกับถนนเลี่ยงเมืองนครนายกที่หลักกิโลเมตรที่ 70 ข้ามคลองฝั่งขวาแล้วไปตัดกับถนนบ้านสร้าง–นครนายก (ทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 3076) ที่หลักกิโลเมตรที่ 72 (แยกสามสาว) และไปสิ้นสุดที่ถนนสุวรรณศร (ทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 33) บริเวณทางแยกโรงพยาบาลในท้องที่อำเภอเมืองนครนายก รวมระยะทางทั้งหมด 74.811 กิโลเมตร

ในเขตจังหวัดปทุมธานีจะเรียกชื่อถนนนี้ว่า "ถนนรังสิต–นครนายก" ส่วนในเขตจังหวัดนครนายกจะเรียกชื่อถนนว่า "ถนนนครนายก–รังสิต" และถนนสายนี้ยังแบ่งออกเป็น 2 ช่วง ได้แก่ ช่วงตั้งแต่รังสิตถึงองครักษ์ เรียกว่า "ถนนรังสิต–องครักษ์" และช่วงตั้งต่อองครักษ์ต่อไปจนถึงยังนครนายกจะเรียกว่า "ถนนองครักษ์–นครนายก"