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