ทางพิเศษอุดรรัถยามีเส้นทางเชื่อมต่อมาจากทางพิเศษศรีรัชส่วน C บริเวณจุดตัดกับถนนแจ้งวัฒนะ ในอำเภอปากเกร็ด จังหวัดนนทบุรี เป็นทางยกระดับขนาด 4 ช่องจราจร มุ่งไปทางทิศเหนือ ผ่านเมืองทองธานี จากนั้นเข้าสู่อำเภอเมืองปทุมธานี จังหวัดปทุมธานี ตัดกับทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 346 แล้วข้ามคลองเชียงราก ก่อนที่ลดระดับเป็นทางระดับดินขนาด 4 ช่องจราจร โดยมีรั้วกั้นตลอด จากนั้นเข้าสู่อำเภอสามโคก ตัดกับทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 3214 ซึ่งบริเวณนี้จะมีเส้นทางแยกไปทางทิศตะวันออกเพื่อต่อเชื่อมกับถนนทางเข้ามหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์ ศูนย์รังสิต หลังจากนี้ เส้นทางจะโค้งไปทางทิศตะวันตกเฉียงเหนือเข้าสู่อำเภอบางไทร จังหวัดพระนครศรีอยุธยา ข้ามทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 347 แล้วไปสิ้นสุดบริเวณกิโลเมตรที่ 79 ของถนนกาญจนาภิเษก