東京都区間は僅かな区間であるが、全線でセンターライン付きの片側1車線である。しかし1車線幅が静岡県や山梨県と比べて狭く、路肩は無いに等しい。深山橋で奥多摩湖を渡ると国道411号と合流し、終点となる。
朝霧高原から富士山を西回りに回り込み山梨県に入るといくつものカーブが連続しながら東に進路を向ける。その途中、富士河口湖町・鳴沢村にかけての区間で富士五湖の内の山中湖を除く本栖湖、精進湖、西湖、河口湖と青木ヶ原樹海を通過する。ただいずれの湖も湖畔は通らず、湖畔へのアプローチとなる道路に進入しなければならない。鳴沢村の大田和交差点で山梨県道714号鳴沢富士河口湖線と分岐した後は、富士吉田市の上宿交差点まで4車線のバイパスが続く。（バイパス開通前は大田和交差点から金鳥居交差点まで、現在の山梨県道714号の経路が旧国道139号であった。）富士スバルラインへの入口である「スバル立体」を過ぎると、富士河口湖町と富士吉田市の境界付近で中央自動車道河口湖IC・東富士五湖道路富士吉田ICと接続。富士急ハイランドを横目に横町バイパスから上宿交差点に至ると、進路を直角に変えて再び北進する（直進方向は国道138号となる。なお富士パノラマラインの愛称はそのまま国道138号へと続く）。富士吉田市から大月市までは狭隘な谷間の中に市街地が続き、中央自動車道富士吉田線（河口湖線とも）、鉄道の富士急行線、桂川と並行する。富士吉田中心部を避ける形で国道139号の富士見バイパスがすでに開通しているが、上宿交差点から金鳥居交差点を通る現道も国道139号の指定を受けている。都留市の中心部では連続して直角に曲がる区間があり、渋滞が慢性化している。大月橋東詰で国道20号に接続。この大月橋東詰交差点から北側が1993年に当路線に組み入れられた区間となる。大月市街地は国道20号と重複。この区間も慢性的に渋滞が発生していたが、山梨県立都留高等学校から大月駅前にかけての山側に国道20号大月バイパスが区間開通したのに伴い、この付近の渋滞はある程度緩和されている。市街地の商店街を過ぎると国道20号と分かれて北進、単独区間に入る。その先の奥多摩町までの区間は急峻な山中を抜けるルートとなる。付近のダム建設に伴い大規模改修を受けた部分もあるが、松姫峠を挟む区間では高度を稼ぐためにつづら折れになっている上に幅員も非常に狭く、また峠の前後で冬季通行止となるなど幹線道路としての機能に支障をきたしていたが、松姫峠を貫く総延長3,066 mの松姫トンネルが2014年11月に供用開始され峠の区間は旧道となった。
高句麗と突地稽ら粟末靺鞨との抗争はその後も続き、598年には突地稽らの根拠地営州（朝陽）を高句麗が襲撃した。これは隋から見た場合、領内への侵略行為であり、文帝はこれを契機として高句麗に水陸30万と号する遠征軍を派遣した。この隋による最初の高句麗征討は、遼河の洪水によって兵糧の補給が途絶えるなどしたため隋側に大きな損害が出たこと、また隋との全面衝突を恐れた高句麗の嬰陽王（在位：590年-618年）が謝罪したことで一旦終息した。この頃、中央アジアからモンゴル高原にいたる地域に突厥が巨大勢力を築いていた。隋の調略もあって突厥は東西に分裂し、東突厥は隋に臣従したものの、なお強大な力を持っていた。文帝の死後に隋の帝位を継いだ煬帝は607年の長城巡幸の際に東突厥の啓民可汗の下に高句麗の使者が来訪していることを発見し、両者の間に連携の動きがあることを知って脅威を覚えた。またこの頃には百済、新羅が隋に高句麗征討の要請を行ってもいた。文帝時代の失敗に鑑みて十分な準備期間がとられ、煬帝は612年に100万とも200万とも称する大軍を率いて高句麗に親征した。隋軍は各地の城を攻略し、首都平壌も襲撃したが最終的に撃退された。煬帝は翌613年にも再度高句麗に親征を行ったが、この遠征は補給基地であった黎陽の提運楊玄感の反乱の知らせと、兵部侍郎斛斯政が高句麗に逃亡したという報告によって再び退却に追い込まれた。更に煬帝は614年にも遠征を行った。この時は水軍が卑沙城（現代の旅順近郊）を攻略したが、隋軍の士気は低く逃亡兵が続出した上、国内での反乱が相次いだ。一方で高句麗も連年の戦争によって極めて疲弊していた。このため、高句麗の嬰陽王が自ら朝貢し、斛斯政を引き渡すという条件で和議が結ばれた。高句麗はしかし、王自らが朝貢するという約束を守ることはなかった。このため煬帝は617年には4度目の高句麗遠征を企画したが、楊玄感の反乱以来国内各地で反乱が大規模に発生していた最中であり、その実行はもはや不可能であった。618年、煬帝が近衛軍団によって殺害され、その後の内乱を勝ち抜いた李淵（高祖）によって建てられた唐が隋に取って代わった。こうして隋による一連の高句麗遠征は最終的に失敗に終わった。このことは隋滅亡の重要な要因の1つと考えられている。