ทางหลวงพิเศษหมายเลข 5 ประกอบด้วยโครงการก่อสร้างเส้นทาง 7 สายต่อเนื่องกัน (ระยะทางตามมติคณะรัฐมนตรี พ.ศ. 2540) ได้แก่

• สายรังสิต-บางปะอิน ระยะทาง 18 กิโลเมตร (เริ่มดำเนินการเป็นเส้นทางแรก)

• สายบางปะอิน-นครสวรรค์ ระยะทาง 175 กิโลเมตร (เริ่มดำเนินการเป็นเส้นทางแรก)[2]
• สายนครสวรรค์-พิษณุโลก ระยะทาง 142 กิโลเมตร
• สายพิษณุโลก-ลำปาง ระยะทาง 182 กิโลเมตร
• สายลำปาง-ลำพูน ระยะทาง 60 กิโลเมตร
• สายลำพูน-เชียงใหม่ ระยะทาง 39 กิโลเมตร
• สายเชียงใหม่-เชียงของ ระยะทาง 292 กิโลเมตร

รวมระยะทางตามแผ่นแม่บท พ.ศ. 2540 ทั้งหมด 890 กิโลเมตร ต่อมาได้มีการรวมส่วนต่อขยายของทางยกระดับอุตราภิมุข ช่วงรังสิต-บางปะอิน ระยะทาง 18 กิโลเมตร เข้ามาเป็นส่วนหนึ่งของทางหลวงพิเศษหมายเลข 5 ด้วย ทำให้มีระยะทางเพิ่มขึ้นเป็น 908 กิโลเมตร[1]

สายรังสิต-บางปะอิน

สายบางปะอิน−นครสวรรค์

ทางหลวงพิเศษสายบางปะอิน−นครสวรรค์เป็นโครงการก่อสร้างทางหลวงพิเศษหมายเลข 5 ที่เริ่มดำเนินการเป็นโครงการแรก แนวเส้นทางส่วนใหญ่อยู่ในเขตทางของทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 32 โดยมีแนวเส้นทางตัดใหม่ช่วงต้นและช่วงปลายของเส้นทาง รวมระยะทางประมาณ 180 กิโลเมตร

เส้นทางในช่วงต้นจะไปเริ่มต้นที่ทางยกระดับอุตราภิมุขบริเวณทางแยกต่างระดับบางปะอิน 1 ตำบลเชียงรากน้อย อำเภอบางปะอิน จังหวัดพระนครศรีอยุธยา แล้วเบี่ยงออกไปทางทิศตะวันออกเฉียงเหนือตามแนวถนนกาญจนาภิเษก (ด้านตะวันออก) ไปจนถึงทางแยกต่างระดับบางปะอิน 2 บริเวณบ้านคลองสอง ตำบลลำไทร อำเภอวังน้อย จากนั้นจะเป็นแนวเส้นทางตัดใหม่ โดยจะเบี่ยงออกไปทางทิศตะวันตกเฉียงเหนือ ผ่านจุดตัดทางหลวงพิเศษหมายเลข 6 (สายบางปะอิน-นครราชสีมา) และไปบรรจบกับทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 32 ที่ตำบลบ้านหว้า อำเภอบางปะอิน เป็นทางหลวงพิเศษขนาด 8 ช่องจราจร ระยะทาง 10.1 กิโลเมตร

จากนั้นเส้นทางจะอยู่ในเขตทางของทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 32 ผ่านจังหวัดอ่างทอง จังหวัดสิงห์บุรี ไปจนถึงบ้านดอนเดื่อ ตำบลศิลาดาน อำเภอมโนรมย์ จังหวัดชัยนาท ระยะทาง 135.5 กิโลเมตร โดยเส้นทางช่วงนี้ออกแบบเป็นทางหลวงพิเศษขนาด 6 และ 8 ช่องจราจร โดยมีทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 32 ทดแทนขนานและจัดการจราจรทิศเดียวกันกับทางหลวงพิเศษทั้ง 2 ฝั่ง พร้อมจุดกลับรถ สำหรับการจราจรท้องถิ่นและผู้ที่ไม่ต้องการใช้ทางหลวงพิเศษ

เส้นทางในช่วงปลายซึ่งเป็นแนวตัดใหม่เหมือนกับช่วงต้น โดยเริ่มจากแนวทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 32 เบี่ยงออกไปทางด้านทิศตะวันตก ตัดกับถนนพหลโยธิน ข้ามแม่น้ำเจ้าพระยาเข้าสู่จังหวัดนครสวรรค์ อ้อมผ่านอำเภอพยุหะคีรีด้านทิศตะวันตก อำเภอโกรกพระ และตัวเมืองนครสวรรค์ด้านทิศตะวันตก ตัดถนนพหลโยธินอีกครั้ง ข้ามแม่น้ำปิง ไปสิ้นสุดโครงการที่จุดบรรจบทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 117 บริเวณบ้านบึงน้ำใส อำเภอเมืองนครสวรรค์ จังหวัดนครสวรรค์ เป็นทางหลวงพิเศษขนาด 4 ช่องจราจร ระยะทาง 60.5 กิโลเมตร

ศูนย์บริการทางหลวงและสถานีบริการทางหลวง

มีศูนย์บริการทางหลวง 2 แห่ง คือบริเวณทางแยกต่างระดับสิงห์บุรี-1 แยกเข้าจังหวัดลพบุรี (กม.68 ขาล่องเข้ากรุงเทพฯ และ กม.72 ขาขึ้นไปนครสวรรค์) และบริเวณถัดจากทางแยกต่างระดับอุทัยธานี (กม. 169) นอกจากนี้ยังมีสถานีบริการทางหลวง ที่มีขนาดเล็กกว่าศูนย์บริการทางหลวง โดยใช้พื้นที่สถานีบริการทางหลวงเดิมในปัจจุบันที่อำเภอมโนรมย์ จังหวัดชัยนาท