กรุงเทพมหานครถึงจังหวัดสมุทรปราการ

ถนนสุขุมวิทเริ่มนับหลักกิโลเมตรที่ 0 ที่อนุสาวรีย์ประชาธิปไตย กรุงเทพมหานคร ไปทางทิศตะวันออกตามถนนราชดำเนินกลาง ถนนมหาไชย ถนนบำรุงเมือง ถนนพระรามที่ 1 ถนนเพลินจิต และได้เริ่มเรียกชื่อถนนสุขุมวิทตั้งแต่แยกใต้ทางด่วนเพลินจิต-สุขุมวิท บริเวณขอบฝั่งตะวันออกของทางรถไฟสายแม่น้ำ (สายแยกจากทางรถไฟสายตะวันออก) ใต้ทางพิเศษเฉลิมมหานคร มุ่งหน้าไปทางทิศตะวันออก เป็นเส้นแบ่งเขตการปกครองระหว่างเขตวัฒนากับเขตคลองเตย ระหว่างทาง ตัดกับถนนรัชดาภิเษกและถนนอโศกมนตรีที่แยกอโศกมนตรี ตัดกับถนนทองหล่อที่แยกทองหล่อ ตัดกับถนนเอกมัยที่แยกเอกมัยใต้ ตัดกับถนนพระรามที่ 4 และถนนสุขุมวิท 71 ที่แยกพระโขนง ลอดใต้ทางพิเศษฉลองรัช และตัดกับถนนอ่อนนุชที่แยกอ่อนนุช และตัดกับซอยสุขุมวิท 52 เข้าสู่พื้นที่เขตพระโขนง เป็นเส้นแบ่งเขตการปกครองระหว่างแขวงพระโขนงใต้กับแขวงบางจากตลอดทั้งเขต ตัดกับถนนวชิรธรรมสาธิตเข้าสู่พื้นที่แขวงบางนาเหนือ เขตบางนา ตัดกับถนนอุดมสุขที่แยกอุดมสุข และตัดกับถนนสรรพาวุธและถนนเทพรัตนที่แยกบางนาเข้าสู่พื้นที่แขวงบางนาใต้ ตัดกับซอยสุขุมวิท 70 และซอยลิขิต 45 เข้าสู่จังหวัดสมุทรปราการ

ถนนสุขุมวิทช่วงต้น ๆ สายที่ผ่านกรุงเทพมหานคร ถือเป็นเขตธุรกิจสำคัญแห่งหนึ่งของกรุงเทพมหานคร ตามซอยต่าง ๆ ตลอดแนวถนนสุขุมวิทในช่วงนี้ยังเป็นที่อยู่อาศัยของชาวต่างชาติเป็นจำนวนมาก นอกจากนี้ยังเป็นแหล่งบันเทิงใหญ่ของเมืองอีกด้วย

เมื่อเข้าสู่จังหวัดสมุทรปราการ แนวเส้นทางจะผ่านอำเภอเมืองสมุทรปราการ ตัดกับทางพิเศษกาญจนาภิเษกที่ทางแยกต่างระดับสุขุมวิท สิ้นสุดการดูแลของสำนักการโยธา กรุงเทพมหานคร จากนั้นเส้นทางจะเลี่ยงเมืองไปทางทิศตะวันออก เลียบคลองชลประทาน แล้วข้ามคลองด่านน้อยเข้าสู่อำเภอบางบ่อ

ถนนสุขุมวิทในเขตกรุงเทพมหานครและจังหวัดสมุทรปราการมีแนวระบบรถไฟฟ้าขนส่งมวลชนตามแผนแม่บทโครงข่ายระบบรถไฟฟ้าขนส่งมวลชนในกรุงเทพมหานครและพื้นที่ต่อเนื่องอยู่ 1 สาย คือรถไฟฟ้าบีทีเอส สายสุขุมวิท โดยวิ่งบนเกาะกลางของถนนสุขุมวิท โดยตั้งแต่สถานีนานาถึงสถานีแบริ่ง อยู่ในการดูแลของกรุงเทพมหานคร และตั้งแต่สถานีสำโรงจนถึงสถานีเคหะฯ ควบคุมการก่อสร้างโดยการรถไฟฟ้าขนส่งมวลชนแห่งประเทศไทย แต่หลังสร้างเสร็จแล้วก็ได้โอนให้กับกรุงเทพมหานครตามคำสั่งมาตรา 44 ของคณะรักษาความสงบแห่งชาติ

จังหวัดฉะเชิงเทราถึงจังหวัดตราด

เมื่อเข้าสู่อำเภอบางปะกง จังหวัดฉะเชิงเทรา ขนาดเส้นทางของถนนสุขุมวิทจะลดลงเหลือ 2 ช่องจราจรจนถึงแยกคลองอ้อม ตัดกับถนนเทพรัตน และทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 314 แล้วนับกิโลเมตรไปตามถนนเทพรัตน เข้าสู่อำเภอเมืองชลบุรี จังหวัดชลบุรี เมื่อผ่านทางแยกต่างระดับหนองไม้แดงไปแล้ว ถนนสุขุมวิทจะเบี่ยงไปทางทิศตะวันตกเข้าสู่ตัวเมืองชลบุรี แล้วผ่านอำเภอศรีราชา อำเภอบางละมุง ผ่านเมืองพัทยา และอำเภอสัตหีบ เข้าสู่จังหวัดระยอง ผ่านท่าอากาศยานนานาชาติอู่ตะเภา อำเภอบ้านฉาง อำเภอเมืองระยอง ตัดกับทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 36 ที่แยกปลวกเกตุ แล้วผ่านอำเภอแกลง เข้าสู่จังหวัดจันทบุรี ผ่านอำเภอนายายอาม อำเภอท่าใหม่ อำเภอเมืองจันทบุรี อำเภอแหลมสิงห์ และอำเภอขลุง เข้าสู่จังหวัดตราด ผ่านอำเภอเขาสมิง อำเภอเมืองตราด และสิ้นสุดที่ด่านพรมแดนบ้านหาดเล็ก อำเภอคลองใหญ่ เชื่อมต่อกับทางหลวงหมายเลข 48 ในจังหวัดเกาะกง ประเทศกัมพูชา

ถนนสุขุมวิท ช่วงกิโลเมตรที่ 137+640 ถึงกิโลเมตรที่ 153+200 เดิมอยู่ในความควบคุมของกรมทางหลวง แต่ปัจจุบันอยู่ในความควบคุมของของเมืองพัทยา และช่วงตั้งแต่แยกปลวกเกตุไปจนถึงด่านพรมแดนบ้านหาดเล็ก ได้ถูกกำหนดให้เป็นส่วนหนึ่งของทางหลวงเอเชียสาย 123