ทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 311 เริ่มต้นที่วงเวียนพระนารายณ์มหาราช ข้ามคลองอนุศาสนันท์ ผ่านทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 3196 ผ่านทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 3016 ที่วงเวียนศรีสุริโยทัย ผ่านวงเวียนศาลพระกาฬและข้ามทางรถไฟสายเหนือ ถนนส่วนนี้นิยมเรียกว่าถนนนารายณ์มหาราช จากนั้นจึงเริ่มต้นทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 311 อีกครั้งเมื่อข้ามแม่น้ำลพบุรี ตัดผ่านทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 366 (สายเลี่ยงเมืองลพบุรี) ทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 3027 ทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 3028 ตัดผ่านทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 32 ที่ทางแยกต่างระดับสิงห์บุรีใต้ ทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 335 ข้ามแม่น้ำเจ้าพระยา ผ่านทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 309 ที่ทางแยกเข้าเมืองสิงห์บุรี จากนั้นเลี้ยวขวาเลียบแม่น้ำเจ้าพระยา เลี้ยวขวาข้ามแม่น้ำเจ้าพระยาที่เขื่อนเจ้าพระยา สิ้นสุดที่ถนนพหลโยธิน

ส่วนทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 311 ตอนเลี่ยงเมือง เริ่มต้นที่ถนนพหลโยธิน ข้ามทางรถไฟสายเหนือ ผ่านทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 3196 สิ้นสุดที่ทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 311 (ช่วงลพบุรี-ชัยนาทเดิม) (ปัจจุบัน ทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 311 ช่วงเลี่ยงเมืองลพบุรีได้มีการเปลี่ยนแปลงรหัสหมายเลขทางหลวงเป็นทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 366)

ทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 311 ช่วงวงเวียนพระนารายณ์ถึงศาลพระกาฬนิยมเรียกว่า ถนนนารายณ์มหาราช ส่วนตั้งแต่ศาลพระกาฬถึงข้ามแม่น้ำลพบุรี เรียกว่า ถนนปรางค์สามยอด ส่วนช่วงข้ามแม่น้ำลพบุรีถึงชัยนาทนิยมเรียกว่า ถนนลพบุรี-ชัยนาท