Cầu chính là cầu dây văng liên tục 5 trụ tháp với tổng chiều dài 1.500m (các nhịp chính có chiều dài 300m). Đường hai đầu cầu có tổng chiều dài là 5.178,8m. Trên toàn tuyến sẽ có 4 nút giao, trong đó có 3 nút giao khác mức.

Theo thiết kế được phê duyệt, dự án cầu Nhật Tân thuộc đường vành đai II của TP Hà Nội, bắt đầu tại khu vực Phú Thượng, quận Tây Hồ, sau đó chạy song song và cách đường Lạc Long Quân khoảng 420m. Sau khi vượt sông Hồng bằng cầu Nhật Tân (cách cầu Thăng Long khoảng 3,6km về phía Hạ lưu), dự án cắt QL5 kéo dài tại nút giao Vĩnh Ngọc rồi đi thẳng theo hướng Bắc, vượt qua sông Thiếp và kết thúc ở điểm giao với đường Nam Hồng.

Sau khi Dự án xây dựng cầu Nhật Tân và đường hai đầu cầu hoàn thành sẽ kết nối trung tâm thành phố với các tỉnh phía Bắc và các khu công nghiệp như Bắc Thăng Long – Vân Trì, Đông Anh – Cổ Loa, Gia Lâm – Yên Viên; hoàn thiện tuyến đường vành đai 2, rút ngắn tuyến đường từ trung tâm đến Sân bay Quốc tế Nội Bài. Đây sẽ là cây cầu dây văng dài nhất Việt Nam sau khi hoàn thành, một “điểm nhấn” của kiến trúc ở Thủ đô Hà Nội.