อินทร์บุรี–วังทอง

ทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 11 เริ่มต้นจากทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 32 ที่ทางแยกต่างระดับอินทร์บุรี ตำบลท่างาม อำเภออินทร์บุรี จังหวัดสิงห์บุรี มีเส้นทางไปทางทิศตะวันออกเฉียงเหนือ เป็นถนนขนาด 2 ช่องจราจร มีระยะทางในจังหวัดสิงห์บุรีเพียง 7 กิโลเมตรเท่านั้น ก็เข้าสู่จังหวัดนครสวรรค์ จากนั้นข้ามคลองอนุศาสนนันท์ ข้ามทางรถไฟสายเหนือ แล้วตัดกับถนนพหลโยธิน (ครั้งที่ 1) ที่ตำบลสุขสำราญ อำเภอตากฟ้า จังหวัดนครสวรรค์ และเป็นเส้นทางตรงขึ้นไปทางทิศเหนือ ผ่านอำเภอท่าตะโก อำเภอไพศาลี อำเภอหนองบัว แล้วเข้าสู่เขตจังหวัดพิจิตร ผ่านอำเภอดงเจริญ แล้วตัดกับทางหลวงหมายเลข 113 (พิจิตร-บ้านวังชมภู) ที่ตำบลเขาทราย อำเภอทับคล้อ แล้วขึ้นไปอำเภอวังทรายพูน อำเภอสากเหล็ก และเข้าสู่เขตจังหวัดพิษณุโลก ผ่านอำเภอบางกระทุ่มเป็นระยะทางประมาณ 9 กิโลเมตร และไปบรรจบกับทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 12 ที่แยกวังทอง ตำบลวังทอง อำเภอวังทอง จังหวัดพิษณุโลก

พิษณุโลก–ลำปาง

เมื่อมาถึงแยกวังทอง บริเวณกิโลเมตรที่ 211+841 ทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 11 จะใช้เส้นทางนับเลขกิโลเมตรร่วมกันกับทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 12 เป็นระยะทาง 11.894 กิโลเมตร จนถึงสี่แยกอินโดจีน ตำบลสมอแข อำเภอเมืองพิษณุโลก จึงได้เริ่มต้นเส้นทางใหม่ บริเวณกิโลเมตรที่ 223+735 ขึ้นไปทางทิศเหนือ ตัดกับถนนวงแหวนรอบเมืองพิษณุโลกด้านทิศเหนือ (ทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 126) ที่แยกดงประโดก ผ่านอำเภอวัดโบสถ์ ผ่านตำบลทับยายเชียง อำเภอพรหมพิรามเพียง 11 กิโลเมตร แล้วเข้าอำเภอวัดโบสถ์อีกครั้ง ก่อนที่จะเข้าเขตจังหวัดอุตรดิตถ์ ผ่านตำบลนาอิน ตำบลนายาง อำเภอพิชัย ตำบลน้ำอ่าง อำเภอตรอน ตำบลวังกะพี้ ตำบลป่าเซ่า ตำบลคุ้งตะเภา ตำบลงิ้วงาม อำเภอเมืองอุตรดิตถ์ ขึ้นเขาพลึงเข้าเขตจังหวัดแพร่ โดยบรรจบกับทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 101 ที่ตำบลเด่นชัย อำเภอเด่นชัย โดยเส้นทางตั้งแต่พิษณุโลกถึงอำเภอเด่นชัย เป็นส่วนหนึ่งของทางหลวงเอเชียสาย 13[2] จากนั้นใช้เส้นทางร่วมกับทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 101 มาทางทิศตะวันตกเป็นระยะทาง 11.513 กิโลเมตร แล้วแยกทางจากทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 101 ที่ตำบลไทรย้อย อำเภอเด่นชัย ไปทางทิศตะวันตก และผ่านอำเภอลองเป็นอำเภอสุดท้าย

ลำปาง–เชียงใหม่

เมื่อเข้าเขตจังหวัดลำปาง เส้นทางจะผ่านอำเภอแม่ทะ แล้วเข้าสู่อำเภอเมืองลำปาง โดยทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 11 ในช่วงนี้มีชื่อถนนว่า "ถนนวชิราวุธดำเนิน" ตัดกับทางเลี่ยงเมืองลำปาง (ทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 127) ที่แยกดอยพระบาท (1) ตำบลพระบาท อำเภอเมืองลำปาง แล้วมาสิ้นสุดที่ถนนพหลโยธิน (ครั้งที่ 2) ที่แยกดอยพระบาท (2) บริเวณกิโลเมตร 457+066 จากนั้นนับเลขกิโลเมตรร่วมกันกับถนนพหลโยธินไปทางทิศใต้ เป็นระยะทาง 5.548 กิโลเมตร จนถึงสี่แยกภาคเหนือ จึงแยกออกไปทางทิศตะวันตก เริ่มต้นที่กิโลเมตรที่ 462+614 ข้ามแม่น้ำวัง ผ่านอำเภอห้างฉัตรเป็นอำเภอสุดท้าย จากนั้นขึ้นเขาขุนตาล เข้าสู่เขตจังหวัดลำพูน ผ่านอำเภอแม่ทา อำเภอเมืองลำพูน มักเรียกถนนในช่วงนี้ว่า ถนนซุปเปอร์ไฮเวย์ลำปาง–เชียงใหม่ และเข้าสู่เขตจังหวัดเชียงใหม่ ผ่านอำเภอสารภี อำเภอเมืองเชียงใหม่ โดยเป็นถนนอ้อมเมืองเชียงใหม่หรือหากนับเป็นถนนวงแหวน ถนนสายนี้ถือเป็นถนนวงแหวนรอบในของเมืองเชียงใหม่ ไปสิ้นสุดเส้นทางโดยบรรจบกับถนนสุเทพในเขตเทศบาลนครเชียงใหม่ ใกล้ทางแยกเข้ากองบิน 41