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. ทางหลวงหมายเลข 1 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.-
ทางหลวงพิเศษ กรมทางหลวงได้พิจาณากำหนดระบบหมายเลข ให้เป็นระบบหมายเลขทางหลวงใหม่ โดยมีหลักเกณฑ์ในการจัดระบบหมายเลขทางหลวงพิเศษ เป็นดังนี้
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
2. ทางหลวงหมายเลข 2 หลัก หมายถึง ทางหลวงแผ่นดินสายประธานตามภาคต่าง ๆ ที่มีลักษณะโครงข่ายเชื่อมต่อกับทางหลวงหมายเลข 1 หลักผ่านพื้นที่สำคัญหลายจังหวัดเชื่อมต่อกันเป็นระยะทางยาวและมีลักษณะกระจายพื้นที่ให้บริการของทางหลวง 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 หรือสถานที่สำคัญ
ของจังหวัดนั้น ในลักษณะการกระจายพื้นที่ให้บริการทางหลวงออกสู่พื้นที่ย่อย แต่ไม่ได้เชื่อมต่อเป็นโครงข่ายระยะทางยาว เช่น ทางหลวงหมายเลข 1001 สายแยกทางหลวงหมายเลข 11(เชียงใหม่) - อ.พร้าว เป็นทางหลวงในภาคเหนือ หรือทางหลวงหมายเลข 4006 สาย แยกทางหลวง หมายเลข 4 (ราชกรูด)-หลังสวนเป็นทางหลวงในภาคใต้ เป็นต้น