Tuyến đường chia làm hai đoạn, trong đó đoạn một dài hơn 4 km, rộng từ 12 đến 47 m, điểm đầu nối với đầu cầu Hòa Sơn (cầu kết nối giữa huyện Hiệp Hòa, Bắc Giang với thị xã Phổ Yên, Thái Nguyên), điểm cuối giao với đường vành đai 5, vùng thủ đô tại phường Đồng Tiến, thị xã Phổ Yên.
Đoạn thứ hai gồm tuyến chính và 2 tuyến nhánh dài 38,42 km, rộng 22 m; trong đó, tuyến chính dài 32,5 km, điểm đầu tại nút giao Yên Bình, thuộc địa phận phường Tân Hương, thị xã Phổ Yên, điểm cuối giao với đường 261 thuộc xã Ký Phú, huyện Đại Từ. Tuyến nhánh dài 3 km từ tuyến chính kết nối với tỉnh Vĩnh Phúc tại điểm giáp ranh giữa tỉnh Thái Nguyên và tỉnh Vĩnh Phúc...
Dự án có tổng mức đầu tư dự kiến gần 3.800 tỷ đồng, trong đó hơn 1.800 tỷ đồng được Trung ương hỗ trợ, còn lại là ngân sách địa phương, thời gian thực hiện từ năm 2021 đến 2025. Thời gian thực hiện dự án bắt đầu từ năm 2021 đến năm 2025.
Mục tiêu dự án là kết nối các tỉnh Thái Nguyên, Bắc Giang, Vĩnh Phúc, Tuyên Quang thông qua 5 tuyến đường cao tốc Hà Nội - Bắc Giang, Hà Nội - Thái Nguyên, Hà Nội - Lào Cai, đường vành đai 5, Tuyên Quang - Phú Thọ.
Đồng thời, kết nối trực tiếp cao tốc Hà Nội - Thái Nguyên vào Khu du lịch Hồ Núi Cốc, kết nối Khu du lịch ATK Định Hóa, tạo quỹ đất cho phát triển công nghiệp, du lịch nghỉ dưỡng Tây Tam Đảo, là đường tránh cho Thành phố Thái Nguyên...