เป็นเส้นทางที่วางตัวในแนวตะวันออก-ตะวันตก ในพื้นที่ภาคกลาง และภาคตะวันออกเฉียงเหนือของประเทศไทย ระหว่างจังหวัดนครสวรรค์ทางด้านตะวันตก และ ด่านชายแดนไทย-ลาว ในจังหวัดอุบลราชธานี ทางด้านตะวันออก โดยแนวเส้นทางเชื่อมโยงทั้งที่ด่านช่องเม็ก อำเภอสิรินธร จังหวัดอุบลราชธานี ซึ่งเป็นเส้นทางหลักในปัจจุบันที่ใช้เชื่อมโยงระหว่างภาคตะวันออกเฉียงเหนือตอนล่างของไทยกับลาวตอนใต้ และที่สะพานมิตรภาพไทย-ลาว แห่งที่ 6
นาตาล-สาละวัน ที่มีแผนจะก่อสร้างในอนาคต ทั้งนี้ การกำหนดแนวเส้นทางได้ปรับเปลี่ยนจุดเริ่มต้นของแนวเส้นทางตามนโยบายการบูรณาการการพัฒนาทางโครงข่ายหลวงพิเศษระหว่างเมืองและระบบราง (MR-MAP) ที่กำหนดไว้ที่ด่านเจดีย์สามองค์ จังหวัดกาญจนบุรี มาเป็นที่จังหวัดนครสวรรค์ เนื่องจากเหตุผลด้านข้อจำกัดของพื้นที่อนุรักษ์ธรรมชาติที่เป็นมรดกโลก และความต้องการในการเดินทางและขนส่งและโอกาสในการพัฒนาพื้นที่ นอกจากนี้ในการเชื่อมโยงการเดินทางและขนส่งไปยังด่านชายแดนไทย-เมียนมา สามารถใช้โครงข่ายทางหลวงพิเศษระหว่างเมืองเพื่อไปยังด่านแม่สอดและด่านพุน้ำร้อนได้
ความสำคัญของแนวเส้นทาง :
- เชื่อมโยงเมืองหลักและเมืองขนาดกลางในภาคกลาง และภาคตะวันออกเฉียงเหนือตอนล่าง ได้แก่ นครสวรรค์ นครราชสีมา บุรีรัมย์ และ อุบลราชธานี
- เชื่อมโยงประตูการค้าและเส้นทางคมนาคมขนส่งระหว่างประเทศทางด่านพรมแดนไทย-ลาว ที่ด่านช่องเม็ก ซึ่งเชื่อมไปยังเมืองปากเซ เมืองหลักของลาวตอนใต้ และสะพานมิตรภาพไทย-ลาว แห่งที่ 6 นาตาล-สาละวัน (ในอนาคต) ซึ่งเป็นเส้นทางที่มีศักยภาพในการเชื่อมโยงการค้าไปยังเมืองเว้และดานัง ของประเทศเวียดนาม
ภาพรวมแนวเส้นทาง :
- แนวเส้นทางพาดผ่านพื้นที่ : 9 จังหวัด ได้แก่ นครสวรรค์ เพชรบูรณ์ ลพบุรี ชัยภูมิ นครราชสีมา บุรีรัมย์ สุรินทร์ ศรีสะเกษ และอุบลราชธานี
- ระยะทางรวม : ประมาณ 703 กิโลเมตร โดยมีช่วงเส้นทางที่มีศักยภาพในการพัฒนาโดยใช้เขตทางร่วมกับระบบรางตามแนวนโยบายบูรณาการพัฒนาทางหลวงพิเศษระหว่างเมืองร่วมกับระบบราง (MR-MAP) มีระยะทางประมาณ 515 กิโลเมตร
- การเชื่อมโยงโครงข่าย : ตลอดแนวเส้นทาง MR5 มีจุดเชื่อมต่อโครงข่ายทางหลวงพิเศษระหว่างเมืองกับเส้นทางในแนวเหนือ-ใต้ 4 จุด ได้แก่ (1) ที่จังหวัดนครสวรรค์ เชื่อมต่อเส้นทาง MR1 (เชียงราย-นราธิวาส) (2) ที่จังหวัดนครราชสีมา เชื่อมต่อเส้นทาง MR2 (กรุงเทพฯ/ชลบุรี-หนองคาย)
(3) ที่จังหวัดสุรินทร์ เชื่อมต่อเส้นทาง MR3 (บึงกาฬ-สุรินทร์) และ (4) ที่จังหวัดอุบลราชธานี มีทางแยกของเส้นทางเพื่อไปยังด่านชายแดน 2 แห่ง ได้แก่ ด่านช่องเม็ก และสะพานมิตรภาพไทย-ลาว แห่งที่ 6 นาตาล-สาละวัน
ที่พักริมทาง (Rest Area) :
- ศูนย์บริการทางหลวง (Service Center) จำนวน 7 แห่ง
- สถานที่บริการทางหลวง (Service Area) จำนวน 6 แห่ง
- จุดพักรถ (Rest Stop) จำนวน 15 แห่ง
- ทางเข้าออกจำนวน 29 แห่ง
รายละเอียดของแนวเส้นทางช่วงต่าง ๆ แบ่งได้เป็น 4 ช่วง ดังนี้

รูปแนวเส้นทาง MR5 นครสวรรค์-อุบลราชธานี