ในยุคสมัยเริ่มแรกของการก่อสร้างทางหลวง กรมทางหลวงนิยมที่จะนำชื่อหรือนามของบุคคลที่มีความสำคัญในสายทางนั้นๆ มาใช้เพื่อเรียกขาน ถนนหรือสะพาน เช่น ถนนวิภาวดีรังสิต สะพานสารสิน เป็นต้น ซึ่งต่อมาเมื่อระบบทางหลวงได้มีการพัฒนาเป็นโครงข่ายในระดับประเทศ จึงทำให้การเรียกชื่อดังกล่าว อาจก่อให้เกิดการสับสนและไม่สามารถระบุพิกัด ตำแหน่ง ของสายทางนั้นได้อย่างชัดเจนและรวดเร็ว เหมาะสมกับปริมาณโครงข่ายทางหลวงที่เกิดขึ้น
ดังนั้น จึงได้มีการริเริ่มนำ “ระบบหมายเลขทางหลวง” มาใช้ในการกำกับเรียกขานเพื่อแสดงที่ตั้งของทางหลวงในความควบคุมของกรมทางหลวง อันได้แก่ ทางหลวงพิเศษ ทางหลวงแผ่นดิน และทางหลวงสัมปทาน โดยแต่ละหมายเลขที่ใช้กำกับทางหลวงมีความหมายดังนี้
- ทางหลวงที่ขึ้นต้นด้วยหมายเลข 1 แสดงว่าเป็นทางหลวงที่มีที่ตั้งอยู่ในภาคเหนือ
- ทางหลวงที่ขึ้นต้นด้วยหมายเลข 2 แสดงว่าเป็นทางหลวงที่มีที่ตั้งอยู่ในภาคตะวัน ออกเฉียงเหนือ
- ทางหลวงที่ขึ้นต้นด้วยหมายเลข 3 แสดงว่าเป็นทางหลวงที่มีที่ตั้งอยู่ในภาคกลาง ตะวันออก และภาคใต้ตอนบน
- ทางหลวงที่ขึ้นต้นด้วยหมายเลข 4 แสดงว่าเป็นทางหลวงที่มีที่ตั้งอยู่ในภาคใต้
ซึ่งระบบหมายเลขทางหลวงดังกล่าวได้กำหนดให้ใช้ตัวเลขจำนวน 4 หลัก ในการเรียกขานอ้างอิงทางหลวง โดยได้จำแนกทางหลวงออกเป็น 4 ระดับย่อยดังนี้
1. ทางหลวงที่มีหมายเลข 1 หลัก หมายถึง ทางหลวงหลักที่เชื่อมต่อระหว่างกรุงเทพมหานครไปยังภูมิภาคหลักของประเทศไทย อันได้แก่ ภาคเหนือ ภาคตะวันออกเฉียงเหนือ ภาคกลาง และภาคใต้ ซึ่งสามารถจำแนกย่อยได้อีกเป็น 2 กลุ่ม คือ ทางหลวงแผ่นดิน และทางหลวงพิเศษ โดยมีรายละเอียดดังนี้
ทางหลวงแผ่นดิน หมายถึงทางหลวงแผ่นดินสายประธานเชื่อมการจราจรระหว่างภาคต่อภาค ในปัจจุบันมีอยู่ 4 สาย คือ
- ทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 1 (ถนนพหลโยธิน) จากกรุงเทพฯ-แม่สาย (เขตแดน)
- ทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 2 (ถนนมิตรภาพ) จากสระบุรี-หนองคาย (เขตแดน)
- ทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 3 (ถนนสุขุมวิท) จากกรุงเทพฯ-ตราด
- ทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 4 (ถนนเพชรเกษม) จากกรุงเทพฯ-อ.สะเดา จ.สงขลา
ทางหลวงพิเศษระหว่างเมือง กรมทางหลวงได้พิจารณากำหนดระบบหมายเลขทางหลวงพิเศษระหว่างเมือง ให้เป็นระบบหมายเลขทางหลวงใหม่ โดยมีหลักเกณฑ์ในการจัดทำระบบหมายเลขทางหลวงเป็น 2 ประเภท ดังนี้.-
ทางหลวงพิเศษหมายเลขหลักเดียว เป็นทางหลวงพิเศษระหว่างเมืองสายหลัก ที่เชื่อมระหว่างกรุงเทพมหานครไปยังแต่ละภาคของประเทศ มีจำนวนทั้งสิ้น 5 สายทาง คือ
- ทางหลวงหมายเลข 5 คือ โครงข่ายทางหลวงพิเศษที่เชื่อมต่อจาก กรุงเทพมหานคร ไปยังภาคเหนือ และโครงข่ายทางหลวงพิเศษในพื้นที่ภาคเหนือ จะมีหมายเลขทางหลวงนำหน้าด้วยหมายเลข 5
- ทางหลวงหมายเลข 6 คือ โครงข่ายทางหลวงพิเศษที่เชื่อมต่อจาก กรุงเทพมหานคร ไปยังภาคตะวันออกเฉียงเหนือ และโครงข่ายทางหลวงพิเศษในพื้นที่ภาคตะวันออกเฉียงเหนือ จะมีหมายเลขทางหลวงนำหน้าด้วยหมายเลข 6
- ทางหลวงหมายเลข 7 คือ โครงข่ายทางหลวงพิเศษที่เชื่อมต่อจาก กรุงเทพมหานคร ไปยังภาคตะวันออก และโครงข่ายทางหลวงพิเศษในพื้นที่ภาคตะวันออก จะมีหมายเลขทางหลวงนำหน้าด้วยหมายเลข 7
- ทางหลวงหมายเลข 8 คือ โครงข่ายทางหลวงพิเศษที่เชื่อมต่อจาก กรุงเทพมหานคร ไปยังภาคใต้ และโครงข่ายทางหลวงพิเศษในพื้นที่ภาคใต้ จะมีหมายเลขทางหลวงนำหน้าด้วยหมายเลข 8
- ทางหลวงหมายเลข 9 คือ ถนนวงแหวนรอบนอกกรุงเทพมหานคร และโครงข่ายทางหลวงพิเศษบริเวณรอบนอกกรุงเทพมหานครและปริมณฑล จะมีหมายเลขทางหลวงนำหน้าด้วยหมายเลข 9
ทางหลวงพิเศษหมายเลขสองหลัก เป็นทางเชื่อมโยงจากทางหลวงพิเศษระหว่างเมืองสายหลัก ที่เชื่อมโยงไปสู่เส้นทางที่มีการจราจรสูงและเส้นทางที่เข้าพื้นที่สำคัญในภาคนั้นๆ เช่น
- ทางหลวงพิเศษหมายเลข 81 คือ โครงการทางหลวงพิเศษระหว่างเมืองที่กำลังก่อสร้าง มีเส้นทางเชื่อมต่อกรุงเทพมหานครกับจังหวัดทางภาคตะวันตก โครงการนี้เริ่มก่อสร้างช่วงตั้งแต่อำเภอบางใหญ่ จังหวัดนนทบุรี จนถึงอำเภอท่าม่วง จังหวัดกาญจนบุรี ระยะทางประมาณ 100 กิโลเมตร นอกจากนี้ยังมีโครงการต่อขยายเส้นทางไปจนถึงด่านบ้านพุน้ำร้อน
2. ทางหลวงที่มีหมายเลข 2 หลัก หมายถึง ทางหลวงแผ่นดินสายประธานตามภาคต่างๆ ที่มีลักษณะโครงข่ายเชื่อมต่อกับทางหลวงหมายเลข 1 หลัก ผ่านพื้นที่สำคัญหลายจังหวัดเชื่อมต่อกันเป็นระยะทางยาวและมีลักษณะกระจายพื้นที่ให้บริการของทางหลวง จากหมายเลข 1 หลัก ออกสู่พื้นที่ทั่วประเทศอย่างเหมาะสม เช่นทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 22 สายอุดรธานี - นครพนม เป็นต้น
3. ทางหลวงที่มีหมายเลข 3 หลัก หมายถึง ทางหลวงแผ่นดินสายรองประธาน ที่มีลักษณะโครงข่ายเชื่อมต่อกับทางหลวงหมายเลข 1 หลัก หรือ 2 หลัก เข้าสู่สถานที่สำคัญของจังหวัด หรืออาจจะไม่ผ่านพื้นที่สำคัญแต่มีลักษณะเชื่อมต่อเป็นโครงข่ายที่ดี สามารถกระจายพื้นที่ให้บริการทางหลวงออกสู่พื้นที่ย่อย หรือเป็นทางลักษณะขนานกับแนวชายแดนต่อเนื่องกันเป็นระยะทางยาวเพื่อเป็นการสนับสนุนภารกิจของทหารในความมั่นคงของชาติ เช่น ทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 202 สายชัยภูมิ - เขมราฐ เป็นทางหลวงแผ่นดินสายรองประธานในภาคตะวันออกเฉียงเหนือ หรือทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 314 สายบางปะกง - ฉะเชิงเทรา เป็นทางหลวงแผ่นดินสายรองประธานในภาคกลาง เป็นต้น
4. ทางหลวงที่มีหมายเลข 4 หลัก หมายถึง ทางหลวงแผ่นดินที่เชื่อมระหว่างจังหวัด กับอำเภอ หรือสถานที่สำคัญของจังหวัดนั้น ในลักษณะการกระจายพื้นที่ให้บริการทางหลวงออกสู่พื้นที่ย่อย แต่ไม่ได้เชื่อมต่อเป็นโครงข่ายระยะทางยาว เช่น ทางหลวงหมายเลข 1001 สายแยกทางหลวงหมายเลข 11(เชียงใหม่) - อ.พร้าว เป็นทางหลวงในภาคเหนือ หรือทางหลวงหมายเลข 4006 สาย แยกทางหลวง หมายเลข 4 (ราชกรูด) - หลังสวนเป็นทางหลวงในภาคใต้ เป็นต้น