ถนนสายนี้เริ่มต้นที่จากจุดตัดทางแยกต่างระดับรังสิต ในเขตอำเภอธัญบุรี มาทางทิศตะวันตก เข้าสู่เขตอำเภอเมืองปทุมธานี เลี้ยวขวาที่แยกบ้านกลาง ซึ่งเป็นจุดตัดกับทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 306 (ติวานนท์) แล้วโค้งไปทางทิศตะวันตกเฉียงเหนือข้ามแม่น้ำเจ้าพระยา ที่สะพานปทุมธานี ผ่านจุดตัดตัดกับทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 3111 ที่แยกปทุมธานีเฉลิมพระเกียรติ แล้วจึงโค้งไปทางทิศใต้เลี้ยวขวาที่ทางแยกต่างระดับปทุมธานี เส้นทางมุ่งหน้าสู่ทิศตะวันตกเฉียงเหนือ เข้าสู่อำเภอลาดหลุมแก้ว ผ่านจุดตัดกับถนนกาญจนาภิเษก ที่ทางแยกต่างระดับลาดหลุมแก้ว และโค้งไปทางทิศตะวันตกเฉียงใต้ ผ่านจุดตัดกับทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 340 ที่แยกนพวงศ์ เข้าเขตอำเภอไทรน้อย จังหวัดนนทบุรี เข้าสู่อำเภอบางเลน จังหวัดนครปฐม เลี้ยวขวาที่แยกโรงเรียนบางเลน เลี้ยวซ้ายที่แยกบางเลน เข้าสู่เขตอำเภอกำแพงแสน จังหวัดนครปฐม สิ้นสุดเส้นทางช่วง รังสิต-กำแพงแสน ที่แยกกำแพงแสน (1) โดยมีถนนมาลัยแมน เป็นเส้นทางเชื่อมสู่ถนนช่วงที่สอง กำแพงแสน-พนมทวน โดยเริ่มต้นที่แยกกำแพงแสน (2) มุ่งหน้าไปทางทิศตะวันตก แล้วจึงโค้งมุ่งหน้าทิศตะวันตกเฉียงเหนือที่บริเวณจุดตัดกับทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 3081 ผ่านเข้าสู่เขตอำเภอพนมทวน จังหวัดกาญจนบุรี และสิ้นสุดเส้นทางลงที่แยกพนมทวน จุดตัดกับทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 324 รวมระยะทางประมาณ 111.40 กิโลเมตร