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東京都内
青山通り詳細は「青山通り」を参照

起点の千代田区三宅坂から、赤坂、青山（表参道）を経て渋谷区渋谷（東京都道305号芝新宿王子線・明治通り交点）に至る区間は、「青山通り」の愛称で知られる。概ね片側3 - 4車線で、港区赤坂見附交差点に外堀通り、弁慶橋を超える立体交差がある。
玉川通り「玉川通り」の国道466号との分岐（東京都世田谷区用賀）

渋谷区明治通り交点（渋谷署前交差点）から都県境多摩川（新二子橋）の区間は「玉川通り」と呼ばれ、城南地域の交通の軸となっている。渋谷署前交差点には、1968年（昭和43年）に完成した『マンモス歩道橋』と呼ばれる長大な歩道橋が、首都高速3号渋谷線の高架をくぐる形で架橋されている[15]。

渋谷署前交差点からは首都高速3号渋谷線の高架の直下を通り、地下には東急田園都市線が走る。沿道は商業地域となっている。玉川通り区間は片側3車線であるが、一部の交差点では中央分離帯寄りの1車線は直進レーンと右折レーンを兼ねており、右折車を避けるための減速や車線変更を強いられる。このため、特に朝・夕の通勤時間帯は渋滞しやすい。なお、玉川通りは東京都内で最も二輪車の交通量が多い道路である[16]。

三軒茶屋交差点で世田谷通りが西へ分岐し、世田谷区新町から瀬田交差点の間は、現ルートが新道として開通するまでは桜新町・用賀を経由していた。1907年（明治40年）から1969年（昭和44年）まで、旧道上を玉電（玉川電気鉄道→東急玉川線）が併用軌道で走っていた（一部専用軌道）。旧道は現在は旧大山街道と呼ばれ、新町から桜新町駅前付近までが世田谷区道、桜新町駅前付近から瀬田交差点までが東京都道427号瀬田貫井線となっている。

戦後しばらくは片側1車線かつ玉電が一部区間を除いて併用軌道で通り、歩道も設けられていなかったが、その後道路拡幅が行われ、大坂（目黒区青葉台。神泉町交差点 - 大橋間）、渋谷付近では片側5車線の道路となった。1969年（昭和44年）には玉電は廃止され、1971年（昭和46年）には車道の一部と元の玉電軌道部分を利用して首都高速3号渋谷線（渋谷 - 用賀間）が建設された。