ถนนสมเด็จพระเจ้าตากสินเป็นถนนขนาด 8 ช่องทางจราจร มีเกาะกลาง เขตถนนกว้าง 36–38 เมตร ระยะทางยาว 3.692 กิโลเมตร[4] มีจุดเริ่มต้นจากวงเวียนใหญ่ในพื้นที่แขวงบางยี่เรือ เขตธนบุรี ตรงไปทางทิศตะวันตกเฉียงใต้ ผ่านปากถนนเจริญรัถ ข้ามคลองบางไส้ไก่ ตัดกับถนนราชพฤกษ์และถนนกรุงธนบุรีที่ทางแยกตากสินและเข้าพื้นที่แขวงบุคคโล ข้ามคลองสำเหร่ ตัดกับทางเข้า-ออกโรงพยาบาลสมเด็จพระปิ่นเกล้าที่ทางแยกโรงพยาบาลทหารเรือ ตัดกับทางขึ้น-ลงสะพานพระราม 3 ข้ามคลองบางน้ำชน ตัดกับถนนรัชดาภิเษกและถนนมไหสวรรย์ที่ทางแยกมไหสวรรย์และเข้าพื้นที่แขวงดาวคะนอง ตัดกับซอยสมเด็จพระเจ้าตากสิน 37 ที่ทางแยกตากสิน 37 ข้ามคลองบางสะแกเข้าพื้นที่แขวงจอมทอง เขตจอมทอง ตัดกับถนนจอมทองที่ทางแยกดาวคะนอง และไปสิ้นสุดที่สะพานข้ามคลองดาวคะนอง โดยมีถนนที่ตรงต่อเนื่องไปคือถนนสุขสวัสดิ์