เป็นเส้นทางที่วางตัวในแนวตะวันออก-ตะวันตก ทางฝั่งตะวันตกเชื่อมโยงด่านชายแดนไทย-เมียนมา บริเวณสะพานมิตรภาพไทย-พม่า ข้ามแม่น้ำเมย/ตองยิน แห่งที่ 2 ที่อำเภอแม่สอด จังหวัดตาก ส่วนทางฝั่งตะวันออกเชื่อมโยงด่านชายแดนไทย-ลาว ที่บริเวณสะพานมิตรภาพไทย-ลาว แห่งที่ 2 (มุกดาหาร–สะหวันนะเขต) อำเภอเมืองมุกดาหาร จังหวัดมุกดาหาร และที่บริเวณสะพานมิตรภาพไทย–ลาว แห่งที่ 3 (นครพนม–คำม่วน) อำเภอเมืองนครพนม จังหวัดนครพนม เส้นทางผ่านพื้นที่ภาคเหนือตอนล่าง และภาคตะวันออกเฉียงเหนือ
ความสำคัญของแนวเส้นทาง :
- เชื่อมโยงเมืองหลักและเมืองศูนย์กลางทางเศรษฐกิจในภาคเหนือ และภาคตะวันออกเฉียงเหนือ
(อาทิ พิษณุโลก และขอนแก่น) - เชื่อมโยงประตูการค้าและเส้นทางคมนาคมขนส่งระหว่างประเทศทางด้านตะวันตก ได้แก่ ด่านแม่สอด (ไทย-เมียนมา) และประตูการค้าและเส้นทางคมนาคมขนส่งระหว่างประเทศทางด้านตะวันออก ได้แก่ ด่านมุกดาหาร และด่านนครพนม (ไทย-ลาว) ซึ่งทั้ง 3 แห่ง เป็นด่านการค้าระหว่างประเทศทางบกที่มีปริมาณและมูลค่าการขนส่งสินค้าสูง
- สอดคล้องกับยุทธศาสตร์การพัฒนาระเบียงเศรษฐกิจตะวันออก-ตะวันตก (East-West Economic Corridor : EWEC) ตามโครงการพัฒนาความร่วมมือทางเศรษฐกิจนอนุภูมิภาคลุ่มแม่น้ำโขง (Greater Mekong Subregion: GMS)
- เชื่อมโยงจังหวัดภายในระเบียงเศรษฐกิจพิเศษภาคตะวันออกเฉียงเหนือ (Northeastern Economic Corridor: NeEC) และเชื่อมโยงระเบียงเศรษฐกิจพิเศษภาคตะวันออกเฉียงเหนือกับเขตเศรษฐกิจพิเศษชายแดนในภาคตะวันออกเฉียงเหนือ
- เชื่อมโยงเมืองหลักและเมืองศูนย์กลางทางเศรษฐกิจในภาคเหนือ และภาคตะวันออกเฉียงเหนือ
ภาพรวมแนวเส้นทาง :
- แนวเส้นทางพาดผ่านพื้นที่ : 12 จังหวัด ได้แก่ ตาก สุโขทัย พิษณุโลก พิจิตร เพชรบูรณ์ ชัยภูมิ ขอนแก่น มหาสารคาม ร้อยเอ็ด ยโสธร มุกดาหาร และนครพนม
- ระยะทางรวม : ประมาณ 872 กิโลเมตร โดยมีช่วงเส้นทางที่มีศักยภาพในการพัฒนาโดยใช้เขตทางร่วมกับระบบรางตามแนวนโยบายบูรณาการพัฒนาทางหลวงพิเศษระหว่างเมืองร่วมกับระบบราง (MR-MAP) มีระยะทางประมาณ 444 กิโลเมตร
- การเชื่อมโยงโครงข่าย : ตลอดแนวเส้นทาง MR4 มีจุดเชื่อมต่อโครงข่ายทางหลวงพิเศษระหว่างเมืองกับเส้นทางในแนวเหนือ-ใต้ ได้แก่ (1) ที่จังหวัดสุโขทัย เชื่อมต่อเส้นทาง MR1 (เชียงราย-นราธิวาส) ช่วงจากสุโขทัยไปเชียงใหม่ (2) ที่จังหวัดพิษณุโลก เชื่อมต่อเส้นทาง MR1 ช่วงนครสวรรค์-พิษณุโลก (3) ที่จังหวัดมหาสารคาม เชื่อมต่อเส้นทาง MR2 (กรุงเทพฯ/ชลบุรี-หนองคาย) และ (4) ที่จังหวัดร้อยเอ็ด เชื่อมต่อเส้นทาง MR3 (บึงกาฬ-สุรินทร์)
ที่พักริมทาง (Rest Area) :
- ศูนย์บริการทางหลวง (Service Center) จำนวน 8 แห่ง
- สถานที่บริการทางหลวง (Service Area) จำนวน 8 แห่ง
- จุดพักรถ (Rest Stop) จำนวน 17 แห่ง
- ทางเข้าออกจำนวน 33 แห่ง
รายละเอียดของแนวเส้นทางช่วงต่าง ๆ แบ่งได้เป็น 5 ช่วง ดังนี้

รูปแนวเส้นทาง MR4 ตาก-นครพนม