Do đường vành đai 3 thực chất là kết hợp nhiều tuyến đường đã có sẵn, bao gồm toàn bộ các tuyến đường sau: đường Võ Văn Kiệt, đường Phạm Văn Đồng, đường Phạm Hùng, đường Khuất Duy Tiến, đường Nguyễn Xiển, đường Nghiêm Xuân Yêm, cầu cạn Pháp Vân, cầu Thanh Trì, quốc lộ 1A mới đoạn từ cầu Thanh Trì đến Ninh Hiệp, nên đường cũng không có hai điểm đầu và điểm cuối rõ ràng. Riêng đoạn từ Ninh Hiệp đến đường cao tốc Bắc Thăng Long - Nội Bài gồm nhiều đường nội thị nhỏ đi qua các điểm khống chế Việt Hùng - Đông Anh - Tiên Dương - Nam Hồng (nằm phía Nam của đường sắt vành đai Bắc).

Đoạn đường cao tốc của tuyến đường bắt đầu tại nút giao với đường cao tốc Hà Nội - Bắc Giang và quốc lộ 5A. Đây thực chất là đường dẫn của cầu Thanh Trì. Sau khi vượt qua cầu Thanh Trì sẽ là phần đường dẫn còn lại (được thiết kế như đường cao tốc). Đoạn đường dẫn này có các lối ra với đường Lĩnh Nam và đường Tam Trinh. Hết đoạn đường dẫn này sẽ là lối ra đường cao tốc Pháp Vân - Cầu Giẽ. Từ đây, toàn tuyến được làm trên cao, được biết đến là cầu cạn Pháp Vân. Tuyến đường vượt qua hồ Linh Đàm, đi qua nhiều khu đô thị mới ở phía Nam như Linh Đàm, Kim Văn - Kim Lũ trước khi đến lối ra tiếp theo là quốc lộ 6 (đường Nguyễn Trãi). Đoạn đường này tiếp tục đi qua đường Lê Văn Lương và lối ra đi đại lộ Thăng Long/ đường Trần Duy Hưng trước khi kết thúc 4 km sau đó tại lối ra lên cầu vượt Mai Dịch.Đoạn dưới đất bắt đầu từ làn xe máy của cầu Thanh Trì. Đoạn dưới đất đi song song với đoạn trên cao, đi qua đường Lĩnh Nam, Tam Trinh, khu hành chính quận Hoàng Mai, phố Bùi Huy Ích trước khi đến ngã tư Giải Phóng. Sau ngã tư Giải Phóng, đường được gọi là Phố Hoàng Liệt và chạy thêm khoảng 1 km vượt cầu qua hồ Linh Đàm đến phố Nguyễn Hữu Thọ. Phần còn lại chạy từ phố Nguyễn Hữu Thọ và tiếp tục chạy song song với đường vành đai 3 trên cao với nhiều tên gọi như Nghiêm Xuân Yêm, Nguyễn Xiển, Khuất Duy Tiến, Phạm Hùng. Sau khi hết cầu vượt Mai Dịch, đường vành đai 3 dưới đất tiếp tục là đường Phạm Văn Đồng đến hết cầu Thăng Long.