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交流道外，两条南北向的高速公路间还有新修筑的十二条东西向快速公路与五条东西向高速公路互相连结，但这些东西向的高速与快速公路拥有各自的编号，并不属于国道三