Đường dẫn đường cao tốc bắt đầu tại điểm giao cắt với Đại lộ Mai Chí Thọ tại thành phố Thủ Đức, Thành phố Hồ Chí Minh. Đường cao tốc chạy về hướng đông 4 km và cắt đường Vành đai II tại nút giao lớn hình loa kèn trumpet đôi. Qua khỏi cầu Long Thành, con đường tiếp tục chạy về hướng đông đông nam và giao cắt với Quốc lộ 51 (AH17) tại huyện Long Thành, tỉnh Đồng Nai. Từ đây, đường cao tốc chạy song song với Đường tỉnh 769 qua vùng nông nghiệp rộng lớn của huyện Long Thành và cắt Quốc lộ 1A (AH1) tại một nút giao hình loa kèn trumpet, 3 km về hướng đông Ngã tư Dầu Giây, huyện Thống Nhất, tỉnh Đồng Nai. Hiện tại CT.01 không cho phép xe gắn máy lưu thông trên đoạn đường này.

Trong toàn bộ chiều dài, đường cao tốc đi qua các phường An Phú, Phước Long B, Phú Hữu, Long Trường, Trường Thạnh, Long Phước (thành phố Thủ Đức) của Thành phố Hồ Chí Minh; các xã Phước Thiền (huyện Nhơn Trạch), Tam An, An Phước, thị trấn Long Thành, Long An, Bình Sơn, Bình An (huyện Long Thành), Sông Nhạn, Xuân Quế (huyện Cẩm Mỹ), Lộ 25, thị trấn Dầu Giây (huyện Thống Nhất) của tỉnh Đồng Nai.