从北部开始分别在汐止系统交流道（新北市汐止区）、新竹系统交流道（新竹县宝山乡）与彰化系统交流道（彰化县彰化市）与国道一号（中山高速公路）交会，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