เป็นเส้นทางที่วางตัวในแนวเหนือ-ใต้ ในพื้นที่ภาคตะวันออกเฉียงเหนือ จุดเริ่มต้นทางตอนเหนือ เริ่มจากด่านชายแดนไทย-ลาว ที่จังหวัดบึงกาฬ (ด่านบึงกาฬ และสะพานมิตรภาพไทย-ลาว แห่งที่ 5 บึงกาฬ-บอลิคำไซ) ซึ่งเป็นเส้นทางที่เชื่อมต่อไปยังถนน R13 ของ สปป.ลาว ที่ใช้เป็นเส้นทางต่อไปยังถนน R8 ตามแนวทางหลวงเอเชียสาย AH15 เพื่อไปยังเวียดนาม ส่วนจุดปลายทางทางด้านใต้อยู่ที่ด่านชายแดนไทย-กัมพูชา ที่ด่านช่องจอม จังหวัดสุรินทร์ ซึ่งอยู่ตรงข้ามกับด่านชายแดนโอสะมัก อำเภอสำโรง จังหวัดอุดรมีชัย ของฝั่งกัมพูชา เชื่อมต่อกับถนนสาย 68 ของกัมพูชา และอีกแห่ง คือ ที่ด่านช่องสะงำ จังหวัดศรีสะเกษ ซึ่งอยู่ตรงข้ามกับด่านศุลกากรช่องจอม อำเภออัลลองเวง จังหวัดอุดรมีชัย ของฝั่งกัมพูชา เชื่อมต่อกับถนนสาย 66 ของกัมพูชา ซึ่งเป็นเส้นทางเชื่อมไปยังจังหวัดเสียมราฐ ประเทศกัมพูชา
ความสำคัญของแนวเส้นทาง :
- เชื่อมโยงระหว่างจังหวัดในภาคตะวันออกเฉียงเหนือตอนบน และภาคตะวันออกเฉียงเหนือตอนล่าง
- เชื่อมโยงเมืองระดับกลางตามแผนแม่บทภายใต้ยุทธศาสตร์ชาติที่มีแผนพัฒนาในช่วงปี พ.ศ. 2576-2580 ได้แก่ ร้อยเอ็ด และสกลนคร
- เชื่อมโยงประตูการค้าที่ด่านชายแดนไทย-ลาว ที่บึงกาฬ และที่ด่านขายแดนไทย-กัมพูชา ที่ช่องจอม (สุรินทร์) และช่องสะงำ (ศรีสะเกษ)
ภาพรวมแนวเส้นทาง :
- แนวเส้นทางพาดผ่านพื้นที่ : 6 จังหวัด ได้แก่ บึงกาฬ สกลนคร อุดรธานี กาฬสินธุ์ ร้อยเอ็ด และสุรินทร์
- ระยะทางรวม : ประมาณ 481 กิโลเมตร โดยมีช่วงเส้นทางที่มีศักยภาพในการพัฒนาโดยใช้เขตทางร่วมกับระบบรางตามแนวนโยบายบูรณาการการพัฒนาทางหลวงพิเศษระหว่างเมืองร่วมกับระบบราง (MR-MAP) มีระยะทางประมาณ 386 กิโลเมตร
- การเชื่อมโยงโครงข่าย : แนวเส้นทาง MR3 มีจุดเชื่อมต่อโครงข่ายกับเส้นทางในแนวตะวันออก-ตะวันตก 3 แห่ง ได้แก่ (1) ตัดกับเส้นทาง MR4 (ตาก-นครพนม) ในจังหวัดร้อยเอ็ด (2) ตัดกับเส้นทาง MR5 (นครสวรรค์-อุบลราชธานี) ในจังหวัดสุรินทร์ และ (3) มีทางแยกแนวเส้นทางไปยังด่านช่องสะงำ ในจังหวัดสุรินทร์
ที่พักริมทาง (Rest Area) :
- ศูนย์บริการทางหลวง (Service Center) จำนวน 4 แห่ง
- สถานที่บริการทางหลวง (Service Area) จำนวน 5 แห่ง
- จุดพักรถ (Rest Stop) จำนวน 10 แห่ง
- ทางเข้าออกจำนวน 19 แห่ง
รายละเอียดของแนวเส้นทางช่วงต่าง ๆ แบ่งได้เป็น 5 ช่วง ดังนี้
ช่วงที่ 1 ร้อยเอ็ด-บึงกาฬ (ระยะทางประมาณ 253 กิโลเมตร)
ช่วงที่ 2 ร้อยเอ็ด-สุรินทร์ (ระยะทางประมาณ 133 กิโลเมตร)
ช่วงที่ 3 สุรินทร์-ช่องจอม (ระยะทางประมาณ 49 กิโลเมตร)
ช่วงที่ 4 สุรินทร์-ช่องสะงำ (ระยะทางประมาณ 46 กิโลเมตร)

รูปแนวเส้นทาง MR3 บึงกาฬ-สุรินทร์