ทางหลวงสายนี้เริ่มต้นที่สามแยกบึงบอระเพ็ด ซึ่งแยกมาจากถนนพหลโยธิน บริเวณเชิงสะพานเดชาติวงศ์ ก่อนเข้าเมืองนครสวรรค์ อำเภอเมืองนครสวรรค์ จังหวัดนครสวรรค์ไปตามทิศตะวันออก ซึ่งถนนสายนี้ในเขตอำเภอเมืองถึงอำเภอชุมแสง มีชื่อว่า ถนนนครสวรรค์-ชุมแสง ผ่าน บึงบอระเพ็ด บ้านทับกฤช บ้านเกยไชย ในช่วงนี้จะขนานเลียบกับทางรถไฟสายเหนือ ช่วงสถานีรถไฟปากน้ำโพ - ชุมแสง พอก่อนเข้าเมืองชุมแสง เพียง 7 กิโลเมตร มีทางเลี่ยงเมืองชุมแสง มีชื่อว่า ถนนนครสวรรค์-หนองบัว เมื่อเข้าไปในเขตเทศบาลเมืองชุมแสง มีชื่อว่า ถนนเทศบาลพัฒนา 3 และถนนเทศบาลพัฒนา 2 เมื่อระหว่างอำเภอชุมแสงกับอำเภอหนองบัวมีชื่อว่า ถนนชุมแสง-หนองบัว ผ่านสี่แยกหนองบัว ซึ่งตัดกับทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 11 ระหว่างอำเภอหนองบัวกับอำเภอบึงสามพัน มีชื่อว่า ถนนหนองบัว-ซับสมอทอด ผ่านสี่แยกราหุล ซึ่งตัดผ่านทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 21 และช่วงอำเภอบึงสามพันจนถึงจังหวัดชัยภูมิ มีชื่อว่า ถนนนครสวรรค์-ชัยภูมิ จนถีงวงเวียนอนุสาวรีย์พระยาภักดีชุมพลจะตัดผ่านภูเขา ช่วงรอยต่อระหว่างอำเภอวิเชียรบุรี จังหวัดเพชรบูรณ์ อำเภอภักดีชุมพล อำเภอเทพสถิต และอำเภอหนองบัวระเหว จังหวัดชัยภูมิ มีจุดชมวิว 1 แห่ง

การนับหลักกิโลเมตรของถนนสายนี้ เริ่มต้นนับกิโลเมตรที่ 0+000 จากถนนพหลโยธิน นับไปจนถึงกิโลเมตรที่ 253+290 ที่จังหวัดชัยภูมิ รวมระยะทาง 253.29 กิโลเมตร