ถนนเพชรบุรีมีระยะทางประมาณ 9 กิโลเมตรเศษ เริ่มจากบริเวณถนนพิษณุโลกตัดกับถนนสวรรคโลกและถนนหลานหลวงที่ทางแยกยมราชในพื้นที่เขตดุสิต ไปทางทิศตะวันออกเฉียงใต้ ตัดผ่านทางรถไฟสายเหนือเข้าพื้นที่เขตราชเทวี ตัดกับถนนพระรามที่ 6 และผ่านใต้ทางพิเศษศรีรัชที่ทางแยกอุรุพงษ์ ตัดกับถนนบรรทัดทองที่ทางแยกเพชรพระราม ตัดกับถนนพญาไทที่ทางแยกราชเทวี ตัดกับถนนราชปรารภและถนนราชดำริที่ทางแยกประตูน้ำ ถนนจะมุ่งไปทางทิศตะวันออกตัดกับถนนชิดลมที่ทางแยกชิดลม-เพชรบุรี ตัดกับกับถนนวิทยุที่ทางแยกวิทยุ-เพชรบุรี ผ่านใต้ทางพิเศษเฉลิมมหานคร ตัดกับถนนนิคมมักกะสันและซอยสุขุมวิท 3 (นานาเหนือ) ที่ทางแยกมิตรสัมพันธ์ ตัดกับถนนอโศก-ดินแดงและถนนอโศกมนตรีที่ทางแยกอโศก-เพชรบุรีและเข้าพื้นที่เขตห้วยขวาง ข้ามคลองบางกะปิ ตัดกับซอยเพชรบุรี 38/1 ที่ทางแยกพร้อมพงษ์ ตัดกับซอยสุขุมวิท 63 (เอกมัย) ที่ทางแยกเอกมัยเหนือ ข้ามคลองแสนแสบเข้าพื้นที่เขตสวนหลวง ก่อนไปสิ้นสุดที่สี่แยกคลองตัน ตัดกับถนนรามคำแหง และถนนสุขุมวิท 71 (ปรีดี พนมยงค์) โดยมีถนนที่ตรงต่อเนื่องต่อไปคือถนนพัฒนาการ