Theo đề xuất, dự án có điểm đầu tại Km0+00 (Quốc lộ 2 - Km127+500) thuộc xã Lưỡng Vượng, thành phố Tuyên Quang, tỉnh Tuyên Quang và điểm cuối tại Km40+200 kết nối với nút giao IC9 đường cao tốc Nội Bài - Lào Cai thuộc thị xã Phú Thọ, tỉnh Phú Thọ. Dự án sẽ đi qua địa phận 2 tỉnh Tuyên Quang (dài 11,63 km) và Phú Thọ (dài 28,57 km) với tổng chiều dài 40,2 km.
Dự án gồm 2 đoạn, đoạn 1 có chiều dài 3,2 km đầu tư theo quy mô của Dự án cải tạo, nâng cấp Quốc lộ 2 đoạn từ Km124+500 - Km127+500 với quy mô đường cấp III đồng bằng, tốc độ thiết kế 80 km/h; đoạn 2 có tổng chiều dài 37 km (điểm đầu tại lý trình Km3+200 và điểm cuối tại Km40+200).
Đoạn 2 của dự án sẽ được phân kỳ đầu tư thành 2 giai đoạn: Giai đoạn 1 đầu tư đường cao tốc quy mô 2 làn xe, bề rộng 14m với vận tốc thiết kế 80 km/h; giai đoạn 2 đầu tư hoàn chỉnh đường cao tốc với vận tốc 100 km/h và bề rộng là 25m (dự kiến đầu tư sau năm 2025).
