トンネルの掘削は旭北出入口、駅東出入口、中央街区出口付近は開削工法、それぞれの出入口を接続する部分は地下鉄や東京湾アクアラインの建設にも使われたシールド工法（シールドマシン愛称「ほりたんぽ君」直径12.4 m、総重量2300t）を採用した。2001年度（平成13年度）から本格的に建設が開始され、「ほりたんぽ君」は駅東出入口から、2005年（平成17年）3月15日に旭北出入口を目指して発進。一日平均7 mの速度で掘り進み、開削工法で既に地下空間が確保された中央街区出口のコンクリートボックス部へ2005年（平成17年）11月に到達した。ここで「ほりたんぽ君」は掘削機受台に乗せられ、掘削機受台の下に直径約9cmの鉄球を複数敷詰めて「コロの原理」でコンクリートボックス内の地下空間を最西端へ移動した。2006年（平成18年）6月2日に旭北出入口へ向けて再発進し、2006年（平成18年）10月19日に旭北出入口の仮壁へ、到達予定位置より左右に10cmのわずかな誤差が生じた程度の高精度で到達。駅東出入口を発進してから約1年7ヶ月で1,525mの掘進が完了した。トンネル掘削終了後、「ほりたんぽ君」は、胴体の筒の部分をそのままトンネルの壁として残し、コンクリートと耐火板で覆われた。それ以外の部品は解体された。旭北出入口は竿燈大通りの中央分離帯部分に設けられたが、ここに植えられていたケヤキは、事前に秋田県立中央公園や秋田県立小泉潟公園に移植された。2007年（平成19年）6月、沿線各所で地盤沈下などの影響が発生していることが判明し、県が補償する始末となった。
計画当初は、山王旭北出入口と秋田駅東出入口を地下道（2.55km）で結ぶ上り下り合わせて4車線の道路として、総事業費700億円で整備する予定であった。旭北出入口からは大町地下付近で上り車線と分岐し、広小路の地下を通り、秋田駅の地下付近で再び上り車線と合流し駅東出入口と接続。 駅東出入口からは秋田駅の地下付近で下り車線と分岐し、中央通りの地下を通り、大町地下付近で下り車線と再び合流し旭北出入口を結ぶ（上り下り車線それぞれに旭北出入口、駅東出入口の約中間地点である中央街区出入口を設ける）。2004年度（平成16年度）中に広小路側（北側ルート）を暫定的に2車線の対面通行で開通させて、中央通り側（南側ルート）を2007年（平成19年）秋田わか杉国体までに完成させる計画であった。しかし、事前の地質調査で整備区間が予想以上に水分を多く含む軟弱な地盤であることが判明し（秋田駅付近は旧地名を「楢山字長沼」といい、文字通り沼を埋め立てた土地である）、総事業費が当初予定の700億円から倍以上の1500億円に膨れ上がることになった。膨大な事業費に対する建設反対運動や、秋田県・秋田市の財政状況などから、総事業費700億円で広小路側（北側ルート）の現ルートのみを通る暫定2車線としての整備が決定した。中央街区部は駅東側からの出口のみとし、入口は設置しないことになった。
海上保安庁発表と流出した動画（後述）によれば、9月7日午前10時15分頃、尖閣諸島最北端に位置する『久場島』北西約12キロの付近の海域をパトロールしていた第十一管区海上保安本部所属の巡視船「みずき」が、不審な中国籍のトロール漁船『閩晋漁（びんしんぎょ）5179』を発見、日本領海での違法操業が確認されたため退去命令を出した。しかし漁船はこれを無視して違法操業を続行、揚網後に漁船の舳先を巡視船「よなくに」に向けつつエンジンの出力を上げて増速、「よなくに」の左舷後部に接触しそのまま逃走を開始した。これを受けて「みずき」が追跡を開始し並走して停船を命令するも、漁船は「みずき」の右舷に船体を接触、なおも逃走を図った。この時の様子は距離をとって漁船を監視していた巡視船「はてるま」と衝突された2隻の巡視船によりビデオ撮影されている。海上保安庁は8日に強行接舷して漁船を停船させ、船長を公務執行妨害で逮捕し、石垣島へ連行した。船長を除く船員も同漁船にて石垣港へ回航、事情聴取が行われた。捜査関係者は「海保職員が船長を連行する際、酒臭かった」と証言している。翌9日には、船長は那覇地検石垣支部に送検され取調べが始まった。本来なら、外国船舶が領海内で違法操業や目的のない徘徊をしている疑いがある場合は、外国人漁業の規制に関する法律違反や領海等における外国船舶の航行に関する法律違反等の疑いがあるとして、漁業法に基づいて停船を命令し立入検査の実施を求め、違反していた場合は該当する法律を根拠に、逃走した場合は漁業法違反（立入検査忌避罪）によって逮捕することになっている。尖閣諸島の領海では中国への配慮から、例外として領海外への退去命令のみに収めていたが、今回は漁船が2度にわたって衝突を繰り返すなど悪質なことから「公務執行妨害」での逮捕となった。なお、この際、尖閣諸島領海内で100隻程度の中国漁船が領海へ出入りを繰り返し違法操業をしていたことが明らかになっている。この日本側の動きに対して中国政府の外務報道官は、「日本は司法にのっとって即時に船長を安全に解放すべきだ」と発表した。また、尖閣諸島周辺を自国の領海・領土と強調した上で、「その海域で操業していた自国の漁船に日本の国内法が適用されるなど荒唐無稽だ。非合法で効力はない」と主張・報道し、「関係海域周辺の漁業生産秩序を維持し、漁民の生命・財産を保護する」目的として、同海域に向け漁業監視船を既に派遣したとを発表した。この漁業監視船は農業部漁業局の「漁政201」と「漁政202」であり、7日に出航した2隻は10日から17日まで尖閣諸島の接続水域に進入・徘徊し、海上保安庁の巡視船やヘリコプター、海上自衛隊のP-3C哨戒機の監視と警告を受けた。