ถนนวงแหวนรอบนอกกรุงเทพมหานคร รอบที่ 3 แบ่งออกเป็น 3 ส่วนต่อเนื่องกัน ได้แก่

1. ด้านตะวันออก (ทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 32 - ถนนเทพรัตน) ระยะทาง 97 กิโลเมตร (เริ่มดำเนินการจากถนนรังสิต-นครนายก - ถนนเทพรัตน ระยะทาง 55 กิโลเมตร เป็นส่วนแรก)[1]
2. ด้านใต้ (ถนนเทพรัตน - ถนนพระรามที่ 2) ระยะทาง 59 กิโลเมตร
3. ด้านตะวันตก (ถนนพระรามที่ 2 - ทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 32) ระยะทาง 98 กิโลเมตร (เริ่มดำเนินการจากถนนพระรามที่ 2 - ทางหลวงพิเศษหมายเลข 81 ระยะทาง 30 กิโลเมตร เป็นส่วนแรก)[1]

ด้านตะวันออก

ช่วงทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 32 - ถนนรังสิต-นครนายก

ช่วงถนนรังสิต-นครนายก - ถนนเทพรัตน

เป็นช่วงที่จะดำเนินการก่อนเป็นช่วงแรก โดยแนวเส้นทางเริ่มต้นที่ถนนรังสิต-นครนายก ช่วงกิโลเมตรที่ 25+850 ในพื้นที่อำเภอธัญบุรี จังหวัดปทุมธานี มุ่งหน้าลงไปทางทิศใต้เข้าสู่พื้นที่อำเภอลำลูกกา ตัดกับถนนลำลูกกา จากนั้นข้ามคลองหกวาสายล่าง เข้าสู่พื้นที่กรุงเทพมหานคร ที่เขตหนองจอก ข้ามถนนมิตรไมตรี คลองแสนแสบ ถนนเลียบวารี แล้วตัดกับถนนสุวินทวงศ์ จากนั้นข้ามถนนฉลองกรุง ผ่านพื้นที่ด้านตะวันตกของเคหะฉลองกรุง แล้วข้ามคลองลำพระองค์ เข้าสู่พื้นที่เขตลาดกระบัง จากนั้นข้ามทางรถไฟสายตะวันออก คลองประเวศบุรีรมย์ ถนนหลวงแพ่ง แล้วเข้าสู่พื้นที่จังหวัดสมุทรปราการ ที่อำเภอบางเสาธง ก่อนที่จะตัดกับทางหลวงพิเศษหมายเลข 7 จากนั้นมุ่งหน้าไปทางทิศใต้ แล้วสิ้นสุดเส้นทางที่ถนนเทพรัตน รวมระยะทางทั้งหมด 55 กิโลเมตร

โดยเส้นทางในช่วงนี้จะสร้างในรูปแบบสะพานบกทั้งหมด เนื่องจากก่อสร้างบนพื้นที่ลุ่มดินเหนียว[4]

ด้านตะวันตก

ช่วงถนนพระรามที่ 2 - ทางหลวงพิเศษหมายเลข 81

เป็นช่วงที่จะดำเนินการต่อจากด้านตะวันออก โดยมีจุดเริ่มต้นจากถนนพระรามที่ 2 ช่วงกิโลเมตรที่ 22+500 ในพื้นที่อำเภอเมือง จังหวัดสมุทรสาคร มุ่งหน้าขึ้นไปทางทิศเหนือเข้าสู่พื้นที่อำเภอกระทุ่มแบน ตัดกับถนนพุทธสาคร แล้วเบี่ยงไปทางทิศตะวันตกตัดกับถนนเพชรเกษม จากนั้นจะก่อสร้างเป็นทางยกระดับซ้อนอยู่เหนือถนนพุทธมณฑล สาย 5 แล้วเข้าสู่พื้นที่จังหวัดนครปฐม ที่อำเภอสามพราน แล้วตัดกับถนนบรมราชชนนี หลังจากนั้นจะเข้าสู่พื้นที่อำเภอพุทธมณฑล ก่อนจะข้ามทางรถไฟสายใต้ ผ่านพื้นที่ด้านข้างสนามกอล์ฟรอยัลเจมส์ แล้วสิ้นสุดเส้นทางในช่วงนี้ที่ทางหลวงพิเศษหมายเลข 81 รวมระยะทาง 30 กิโลเมตร

ช่วงทางหลวงพิเศษหมายเลข 81 - ทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 32

มีจุดเริ่มต้นต่อจากช่วงก่อนหน้านี้ที่ทางแยกต่างระดับตัดกับทางหลวงพิเศษหมายเลข 81 ในพื้นที่อำเภอพุทธมณฑล จังหวัดนครปฐม แนวเส้นทางจะเบี่ยงไปทางทิศตะวันออกเข้าสู่จังหวัดนนทบุรี ที่อำเภอไทรน้อย จากนั้นจะข้ามถนนบางกรวย-ไทรน้อย บริเวณใกล้กับโรงพยาบาลไทรน้อย แล้วไปตัดกับทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 346 จากนั้นเบี่ยงไปทางทิศตะวันออกเฉียงเหนือ ผ่านทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 340 จากนั้นข้ามคลองลากค้อน เข้าสู่จังหวัดปทุมธานี ที่อำเภอลาดหลุมแก้ว แล้วเข้าสู่จังหวัดพระนครศรีอยุธยา ผ่านอำเภอลาดบัวหลวง อำเภอบางไทร ก่อนที่จะตัดกับทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 3111 จากนั้นข้ามแม่น้ำน้อย แล้วเข้าสู่อำเภอบางปะอิน ตัดกับทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 347 จากนั้นข้ามแม่น้ำเจ้าพระยาและทางรถไฟสายเหนือ ก่อนจะสิ้นสุดเส้นทางที่ทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 32