直到南端的林边为止都採取与中山高平行的路线；相对于原本中山高较为直线的规划，国道三号因适应地形与避开人口已非常密集的市镇，路线迂回较明显，沿途大量使用高架桥与隧道的方式穿越不平坦的地形，工程难度较国道一号提升许多，全程共有15个隧道，其中有9个是聚集在台北盆地南边的山区，沿线最长的隧道为1,875公尺长的木栅隧道。除了主线外，国道三号在台北南区设置用来连接台北市区的支线国道三甲（台北联络线），在万芳交流道与信义快速道路（又名台北联络道信义支线，兴建计画编号：国道三乙）相接，而除了三个与中山高相交会的系统