其中汐止到新竹的路段是行走较内陆的山区乡镇，新竹到彰化则是经由滨海地区，彰化以南的路段都是沿山区行走，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