国道20号
東京都 中央区 - 千代田区 - 新宿区 - 渋谷区 - 杉並区 - 世田谷区 - 調布市 - 三鷹市 - 調布市 - 府中市 - 国立市 - 日野市 - 八王子市
神奈川県 相模原市(緑区)
山梨県 上野原市 - 大月市 - 甲州市 - 笛吹市 - 甲府市 - 中巨摩郡昭和町 - 甲府市 - 甲斐市 - 韮崎市 - 北杜市
長野県 諏訪郡富士見町 - 茅野市 - 諏訪市 - 諏訪郡下諏訪町 - 岡谷市 - 塩尻市
東京都の中央自動車道調布ICを西へ進むと、調布飛行場、東京スタジアム(味の素スタジアム)や、1964年に開催された東京オリンピックのマラソン・競歩の折り返し地点などがある。国立府中インターチェンジの西にある石田大橋で多摩川を渡り日野市に入ると、多摩都市モノレール万願寺駅の南側を通過する。坂下交差点を過ぎると日野台地へと一気に上り、中央本線を日野跨線橋でオーバーパスして八王子市に入る。国道16号八王子バイパス(大和田町四丁目交差点)をアンダーパスすると、八王子市街地となる。
高尾駅前を過ぎると、JR中央本線をアンダーパスするまでは商店街や住宅が続く。高尾山の南麓の沿道には民家や墓地などがあるが、大垂水峠の1 kmほど手前からカーブの多い山道となる。
神奈川県にある相模湖駅の市街地の西に神奈川・山梨県境があり、道路は相模川沿いに走る。
河岸段丘上にある山梨県上野原市の市街地付近で急な坂道がある。上野原市 - 大月市の市街地までは桂川、笹子峠までは笹子川沿いに山間の谷間を走り、笹子峠に近づくにつれ谷が深くなり、急カーブも多い。
笹子峠(新笹子トンネル)以西は、短い山間の谷間の道があり、甲府盆地の東端の一角に出る。赤坂台と呼ばれる台地を越える形になっておりアップダウンが激しい。
山梨県内の国道20号は、甲州街道時代の小規模集落を迂回する様に建設されていた。甲府盆地の前後、韮崎市付近までは ほぼJR中央本線・中央自動車道に沿う形で延びている。
日本国道路元標があることでも知られる東京都中央区の日本橋を起点とし、1602年、江戸幕府によって整備された五街道のうち、起点から長野県諏訪郡下諏訪町の諏訪大社下社秋宮付近までが甲州街道と、それ以降終点までが中山道とほぼ同じルートをたどっている。ほぼ全線を中央自動車道や長野自動車道の一部(長野県岡谷市 - 塩尻市)と並走する。
実延長区間は、国道1号交点である皇居前の桜田門交差点より分岐して始まるが、法律上の起点は、東京・日本橋にある。
現在、東京都日野市川辺堀之内(坂下交差点)から八王子市北野町(北野町交差点)を結ぶ日野バイパス延伸部および北野町交差点と、首都圏中央連絡自動車道(圏央道)高尾山インターチェンジを結ぶ八王子南バイパスも建設が進められている。
茅野市から諏訪市にかけては、軟弱地に新たに建設したため、地盤の沈降が激しく難工事であったという。現在でも上下に大きなうねりがあり、大雨の際にはしばしば冠水によって通行止めとなることがある。
諏訪 - 岡谷間はかなり以前からバイパスの計画はあるものの、現在開通しているのは、諏訪IC前を通過する諏訪バイパスと、国道142号新和田トンネル有料道路との交点から岡谷インターチェンジ付近までの下諏訪岡谷バイパスのみである。将来的には諏訪バイパスが延伸され、四賀地区で現在の国道20号および中央本線を越えて丘陵部を通過し、下諏訪岡谷バイパスに接続する予定になっているが、ルートさえ未定の区間も多い。
塩尻峠は近年の改良工事により、登坂車線が頂上まで整備され、スムーズな通行が確保されるようになった。また、岡谷塩嶺病院付近に残る急カーブをバイパスする道路(塩嶺大橋)の建設も進められ、2017年(平成29年)10月14日に開通した。塩尻インターチェンジ前を通過したのち片側2車線道路となり、高出交差点で国道19号・国道153号に合流して終点となる。