เส้นทางสายนี้ก่อสร้างขึ้นและเปิดใช้เมื่อปี พ.ศ. 2517 ในสมัยรัฐบาลจอมพลถนอม กิตติขจร เพื่อสนับสนุนภารกิจทางการทหารในสงครามอินโดจีน ในการขนอาวุธยุทโธปกรณ์จากท่าเรือจุกเสม็ด หรือการท่าเรือสัตหีบ และสนามบินอู่ตะเภา ตำบลพลา อำเภอบ้านฉาง จังหวัดระยอง ไปยังฐานทหารอเมริกาที่จังหวัดนครราชสีมา โดยได้รับความช่วยเหลือจากประเทศสหรัฐอเมริกาในการก่อสร้าง

ปัจจุบันทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 331 มีเส้นทางตั้งแต่แยก บ้าน กม. 10 อำเภอสัตหีบ จังหวัดชลบุรี ถึงแยกต่างระดับชำขวาง อำเภอพนมสารคาม จังหวัดฉะเชิงเทราเป็นถนนขนาด 4 ช่องจราจรตลอดสาย

บริเวณบ้านมาบเอียง อำเภอศรีราชา จังหวัดชลบุรี มีการก่อสร้างถนนตัดใหม่เชื่อมไปยังทางหลวงพิเศษหมายเลข 7 ที่ทางแยกต่างระดับหนองขาม และถนนสุขุมวิท ที่ทางแยกต่างระดับท่าเรือแหลมฉบัง ระยะทาง 16.542 กิโลเมตร ก่อสร้างแล้วเสร็จเมื่อปี พ.ศ. 2550 และมีการกำหนดให้ถนนช่วงบ้านมาบเอียงถึงทางแยกต่างระดับหนองขาม เป็นส่วนหนึ่งของทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 331 ด้วย แต่เดิมถนนสายนี้เป็นถนนแอสฟัลต์ขนาด 4 ช่องจราจร เปิดให้ใช้งานได้ไม่นาน แต่สภาพถนนชำรุดพื้นผิวจราจรยุบและแตกตลอดสาย ทำให้เวลาฝนตก จะทำให้โคลนออกมาจากผิวจราจรทำให้ลื่นมากและเกิดอุบัติเหตุเป็นประจำ และได้รับการปรับปรุงในปี พ.ศ. 2560 โดยปรับปรุงเป็นถนนคอนกรีตขนาด 6-8 ช่องจราจร เพื่อสอดคล้องกับการปรับปรุงทางหลวงพิเศษหมายเลข 7 ให้เป็นทางหลวงพิเศษที่มีการควบคุมทางเข้าออกเต็มรูปแบบ