ทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 32 เปิดใช้ครั้งแรกเมื่อวันที่ 23 มิถุนายน พ.ศ. 2516 ในสมัยรัฐบาลจอมพลถนอม กิตติขจร มีวัตถุประสงค์เพื่อเป็นส่วนหนึ่งในโครงข่ายทางหลวงสายเอเชีย โดยทางหลวงสายนี้เป็นทางหลวงเอเชียสาย 1 (แม่สอด-ตาก-พยุหะคีรี-บางปะอิน-หินกอง-นครนายก-ปราจีนบุรี-อรัญประเทศ) และทางหลวงเอเชียสาย 2 (แม่สาย-เชียงราย-พิษณุโลก-นครสวรรค์-บางปะอิน-กรุงเทพฯ-นครปฐม-เพชรเกษม-หาดใหญ่-สะเดา) ตามลำดับ แต่เดิมเป็นเพียงทางหลวงขนาด 2 ช่องจราจรสวนทาง และมีด่านเก็บค่าผ่านทางที่บางปะอิน บางปะหัน พรหมบุรี และสรรพยา เพื่อนำมาเป็นเงินทุนสำรองค่าธรรมเนียมผ่านทาง สำหรับนำไปชดใช้ดอกเบี้ยเงินกู้ และบูรณะทางหลวง เช่นเดียวกับถนนมิตรภาพ (ช่วงสระบุรี-นครราชสีมา) ถนนบางนา-บางปะกง และถนนพระรามที่ 2 ในสมัยนั้น (คล้ายกับทางหลวงพิเศษ) แต่เมื่อนายจรัส พั้วช่วย รัฐมนตรีช่วยว่าการกระทรวงคมนาคมในขณะนั้น ประกาศยกเลิกเก็บค่าผ่านทางช่วงปี 2537 ทำให้ด่านต่าง ๆ กลายสภาพเป็นด่านร้างในที่สุด บ้างก็ถูกดัดแปลงเป็นสำนักงานแขวงการทาง, หมวดการทาง และด่านชั่งน้ำหนักรถบรรทุก[1]

ทางหลวงสายนี้ได้ขยายเป็น 4 ช่องจราจรเมื่อปี พ.ศ. 2535 ถึง พ.ศ. 2537 โดยได้มีการสร้างทางแยกต่างระดับตามจุดต่าง ๆ เช่น พระนครศรีอยุธยา อ่างทอง สิงห์บุรี อินทร์บุรี ชัยนาท อุทัยธานี และยกเลิกการเก็บค่าผ่านทาง และในปี พ.ศ. 2549 กรมทางหลวงได้ทำการขยายช่องจราจรเป็น 6-8 ช่องจราจรไป-กลับ ปัจจุบันแล้วเสร็จทั้งโครงการ ปัจจุบันทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 32 ได้นับหลักกิโลเมตรที่ 0 จากต่างระดับบางปะอิน แต่เดิมนั้นได้นับหลักกิโลเมตรจากถนนพหลโยธินมา