ทางหลวงสายนี้เริ่มต้นที่สามแยกมาตุลี ซึ่งแยกมาจากถนนพหลโยธินในเขตเทศบาลนครนครสวรรค์ อำเภอเมืองนครสวรรค์ จังหวัดนครสวรรค์ ไปตามทิศเหนือ ซึ่งถนนสายนี้ในเขตเทศบาลนครนครสวรรค์ มีชื่อว่า ถนนรังสิโยทัย ผ่านอำเภอเก้าเลี้ยวและอำเภอบรรพตพิสัย จังหวัดนครสวรรค์ จากนั้นเข้าสู่เขตจังหวัดพิจิตร ผ่านสี่แยกโพธิ์ไทรงาม ซึ่งตัดกับทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 1067 (ทางแยกเข้าอำเภอโพทะเล) และทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 1073 (ทางแยกเข้าอำเภอบรรพตพิสัย) จากนั้นจึงผ่านอำเภอบึงนาราง อำเภอโพธิ์ประทับช้าง และอำเภอสามง่าม ก่อนตัดผ่านสี่แยกปลวกสูง (ตัดกับทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 115 สายกำแพงเพชร-พิจิตร) ที่ อำเภอวชิรบารมี จังหวัดพิจิตร

จากนั้นตัดผ่านอำเภอวชิรบารมี จังหวัดพิจิตร และเข้าสู่จังหวัดพิษณุโลกในเขตอำเภอบางระกำ จากนั้นจึงเข้าสู่อำเภอเมืองพิษณุโลก ผ่านสี่แยกหนองอ้อ (ถนนวงแหวนรอบเมืองพิษณุโลกด้านทิศใต้) สามแยกเอ็กซ-เรย์ (ถนนวงแหวนรอบเมืองพิษณุโลกด้านทิศเหนือ)สามแยกต้นหว้า (ทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 1058 ทางเข้าเมืองพิษณุโลก) และสิ้นสุดที่สี่แยกบ้านคลองในเขตเทศบาลนครพิษณุโลก อำเภอเมืองพิษณุโลก จังหวัดพิษณุโลก โดยตัดกับถนนสิงหวัฒน์ (ทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 12) ชื่อเรียกถนนตั้งแต่แยกเอ็กซ-เรย์จนถึงสี่แยกบ้านคลองมีชื่อว่า ถนนสีหราชเดโชชัย

ทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 117 จะแยกขวาจากทางหลวงหมายเลข 12 (ถนนสิงหวัฒน์) อีกครั้งหนึ่งที่บ้านคลองเมม อำเภอพรหมพิราม ไปยังเขื่อนนเรศวร ตำบลหนองแขม ผ่านตำบลมะต้อง ตำบลศรีภิรมย์ อำเภอพรมพิราม จังหวัดพิษณุโลก ก่อนเข้าสู่ตำบลพญาแมน คำบลท่ามะเฟือง ตำบลคอรุม ตำบลไร่อ้อย ตำบลบ้านดารา ตำบลท่าสัก อำเภอพิชัย ตำบลหาดสองแคว ตำบลวังแดง อำเภอตรอน คำบลวังกะพี้ ตำบลบ้านเกาะ และบรรจบกับทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 102 (ถนนบรมอาสน์) ที่บ้านคลองห้วยไผ่ ตำบลท่าอิฐ อำเภอเมืองอุตรดิตถ์ ก่อนที่จะเป็นทางหลวงแผ่นดินร่วมไปบรรจบกับทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 11 (พิษณุโลก - เด่นชัย) ที่สี่แยกอุตรดิตถ์ ตำบลป่าเซ่า อำเภอเมืองอุตรดิตถ์ และเลี้ยวขวาไปยังสี่แยกป่าขนุน

จากนั้นทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 117 จะแยกขวาที่สี่แยกป่าขนุน ผ่านตำบลน้ำพี้ ตำบลผักขวง อำเภอทองแสนขัน บรรจบกับทางหลวงจังหวัดหมายเลข 1214 (บ้านแก่ง - บ้านวังผาชัน) ที่ตำบลน้ำไคร้ ตำบลแสนตอ วนอุทยานสักใหญ่ บรรจบกับทางหลวงจังหวัดหมายเลข 1146 (บ้านปากปาด - บ้านห้วยหูด) และที่ว่าการอำเภอน้ำปาด ตำบลบ้านฝาย และตำบลเด่นเหล็ก อำเภอน้ำปาด บ้านเสี้ยว ที่ว่าการอำเภอฟากท่า ตำบลฟากท่า อำเภอฟากท่า ตำบลม่วงเจ็ดต้น อำเภอบ้านโคก สิ้นสุดระยะทางที่สามแยกทางหลวงจังหวัดหมายเลข 1241 (บ้านม่วงเจ็ดต้น - บ้านปางไฮ) ตำบลบ่อเบี้ย และทางหลวงจังหวัดหมายเลข 1268 (บ้านม่วงเจ็ดต้น - อำเภอนาแห้ว) จังหวัดเลย

ที่ตำบลม่วงเจ็ดต้น อำเภอบ้านโคกแห่งนี้ ยังมีถนนไปยังจุดผ่านแดนถาวรภูดู่ระหว่างประเทศไทยกับประเทศลาวอีกด้วย