เนื่องจากถนนเพชรเกษมในแต่ละช่วงอยู่ในความรับผิดชอบดูแลของหน่วยงานที่แตกต่างกัน ดังนั้นหลักกิโลเมตรจึงมีวิธีการนับและจุดเริ่มต้นการนับที่ต่างกัน ได้แก่

ส่วนที่ไม่ได้เป็นทางหลวงแผ่นดิน

ช่วงเขตกรุงเทพมหานคร เดิมอยู่ในความรับผิดชอบของกรมทางหลวงซึ่งเริ่มนับกิโลเมตรที่ 0+000 จากอนุสาวรีย์ประชาธิปไตย ถนนราชดำเนินกลาง เขตพระนคร มาทางถนนดินสอ ถนนตีทอง ถนนตรีเพชร ถนนสะพานพุทธ สะพานพระพุทธยอดฟ้า ถนนประชาธิปก และถนนอินทรพิทักษ์ ด้วยวิธีนับเช่นนี้ สะพานเนาวจำเนียรจะอยู่ที่กิโลเมตรที่ 4+400 และเส้นแบ่งเขตหนองแขมกับอำเภอกระทุ่มแบน จังหวัดสมุทรสาคร จะอยู่ที่กิโลเมตรที่ 21+375 ต่อมากรมทางหลวงได้โอนถนนเพชรเกษมในช่วงนี้ให้แก่สำนักการโยธา กรุงเทพมหานคร ซึ่งได้เปลี่ยนมานับกิโลเมตรที่ 0+000 จากวงเวียนใหญ่ จนถึงสะพานเนาวจำเนียร เขตบางกอกใหญ่ (จุดเริ่มต้นที่แท้จริงของถนนเพชรเกษม) ไปจนสุดเขตหนองแขมที่กิโลเมตรที่ 16+975

ช่วงเขตจังหวัดสมุทรสาคร เดิมอยู่ในความรับผิดชอบของกรมทางหลวง ปัจจุบันได้ถ่ายโอนความรับผิดชอบให้แก่เทศบาลนครอ้อมน้อย จึงเปลี่ยนฐานะมาเป็นทางหลวงท้องถิ่น แต่ยังคงนับกิโลเมตรที่ 0+000 จากอนุสาวรีย์ประชาธิปไตยเช่นเดิม ด้วยวิธีนับเช่นนี้ เส้นแบ่งเขตหนองแขมกับอำเภอกระทุ่มแบนจะตรงกับกิโลเมตรที่ 21+375 และเส้นแบ่งเขตอำเภอกระทุ่มแบนกับอำเภอสามพราน จังหวัดนครปฐม จะตรงกับกิโลเมตรที่ 26+420

ส่วนที่เป็นทางหลวงแผ่นดิน

ช่วงเขตจังหวัดนครปฐมเป็นต้นไป มีฐานะเป็นทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 4 รับผิดชอบดูแลโดยกรมทางหลวง โดยเริ่มนับกิโลเมตรที่ 0+000 จากอนุสาวรีย์ประชาธิปไตย กรุงเทพมหานคร ด้วยวิธีนับเช่นนี้ ตรงเส้นแบ่งเขตระหว่างจังหวัดสมุทรสาครกับจังหวัดนครปฐมจะถือเป็นกิโลเมตรที่ 26+420 และจุดสิ้นสุดทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 4 ณ จุดผ่านแดนถาวรสะเดา อำเภอสะเดา จังหวัดสงขลา จะถือเป็นกิโลเมตรที่ 1310+554

ทั้งนี้ ในปัจจุบัน จำนวนกิโลเมตรที่ปรากฏบนหลักกิโลเมตรของทางหลวงหมายเลข 4 ยังคงลักลั่นอยู่เป็นบางช่วง อันเป็นผลมาจากวิธีการนับกิโลเมตรที่แตกต่างกันตามรายละเอียดดังนี้

• ตั้งแต่เขตจังหวัดนครปฐม จนถึงทางแยกเข้าชุมชนต้นมะม่วงหลังห้างสรรพสินค้าบิ๊กซี สาขาเพชรบุรี (กิโลเมตรที่ 26+420 - กิโลเมตรที่ 162+217)

เริ่มนับกิโลเมตรที่ 0+000 ตั้งแต่อนุสาวรีย์ประชาธิปไตย ไปตามถนนดินสอ ถนนตีทอง ถนนตรีเพชร ถนนสะพานพุทธ สะพานพระพุทธยอดฟ้า ถนนประชาธิปก ถนนอินทรพิทักษ์ มาถึงสะพานเนาวจำเนียร จากนั้นจะไปตามแนวสายทางหลวงหมายเลข 4 ที่ปรากฏในปัจจุบัน ไม่ผ่านเข้าตัวจังหวัดหรือชุมชนใด ๆ เมื่อมาถึงจุดตัดกับทางหลวงหมายเลข 3528 ด้านใต้ บริเวณหลังห้างสรรพสินค้าบิ๊กซี สาขาเพชรบุรี (ทางหลวงหมายเลข 4 สายเดิม แยกเข้าชุมชนต้นมะม่วง) อำเภอเมืองเพชรบุรี จะได้ระยะทาง 162.217 กิโลเมตร

• ช่วงตั้งแต่ทางแยกเข้าชุมชนต้นมะม่วงหลังห้างสรรพสินค้าบิ๊กซี สาขาเพชรบุรี จนถึงจุดผ่านแดนถาวรสะเดา อำเภอสะเดา จังหวัดสงขลา (กิโลเมตรที่ 156+399 - กิโลเมตรที่ 1310+554)

ในอดีต เป็นการนับกิโลเมตรแบบเดิม โดยเริ่มนับกิโลเมตรที่ 0+000 ตั้งแต่อนุสาวรีย์ประชาธิปไตย ไปตามถนนดินสอ ถนนตีทอง ถนนตรีเพชร ถนนสะพานพุทธ สะพานพระพุทธยอดฟ้า ถนนประชาธิปก ถนนอินทรพิทักษ์ มาถึงสะพานเนาวจำเนียร จากนั้นไปตามแนวทางหลวงหมายเลข 4 โดยผ่านสายเก่า (เข้าตัวจังหวัดนครปฐม ตัวอำเภอบ้านโป่ง ตัวอำเภอโพธาราม ชุมชนเจ็ดเสมียน ตัวจังหวัดราชบุรี ตัวจังหวัดเพชรบุรี และชุมชนต้นมะม่วงหลังห้างสรรพสินค้าบิ๊กซี สาขาเพชรบุรี) เมื่อมาถึงทางแยกเข้าชุมชนต้นมะม่วงหลังห้างสรรพสินค้าบิ๊กซี จะได้ระยะทาง 170.717 กิโลเมตร ต่อจากจุดนี้ก็จะนับเลขกิโลเมตรต่อไปตามวิธีนี้จนสิ้นสุดที่ทางแยกโคกเคียน อำเภอตะกั่วป่า จังหวัดพังงา ณ กิโลเมตรที่ 776+660 ส่วนตั้งแต่ทางแยกโคกเคียนเป็นต้นไป จะเป็นการนับแบบวัดระยะทางระหว่างอำเภอถึงอำเภอหรือจังหวัดถึงจังหวัดต่าง ๆ ในปัจจุบันการนับแบบวิธีนี้ได้ถูกยกเลิกไปแล้ว

ปัจจุบัน เป็นการนับกิโลเมตรแบบใหม่ โดยเริ่มนับกิโลเมตรที่ 0+000 จากสี่แยกท่าพระ ไปตามทางหลวงหมายเลข 4 แนวปัจจุบัน โดยเริ่มที่ กม.156+399 และนับเลขกิโลเมตรต่อไปตามวิธีนี้จนสิ้นสุดทางหลวงหมายเลข 4 ที่จุดผ่านแดนถาวรสะเดา ณ กิโลเมตรที่ 1310+554 จึงทำให้เลขหลักกิโลเมตรช่วงตั้งแต่ทางแยกเข้าชุมชนต้นมะม่วงหลังห้างสรรพสินค้าบิ๊กซี สาขาเพชรบุรี จนถึงทางแยกโคกเคียน จะมีจำนวนกิโลเมตรจากการนับแบบใหม่และแบบเก่าต่างกันประมาณ 14 กิโลเมตร ปัจจุบันกรมทางหลวงได้ทยอยปรับปรุงตัวเลขไปมากแล้ว