1) การทบทวนการศึกษาและแผนพัฒนาที่เกี่ยวข้อง ทบทวนแผนยุทธศาสตร์ชาติ แผนพัฒนาเศรษฐกิจและสังคมแห่งชาติ แผนแม่บทภายใต้ยุทธศาสตร์ชาติ แผนปฏิบัติการด้านคมนาคมและแผนปฏิบัติราชการของกรมทางหลวง แผนพัฒนาระดับภาคและจังหวัด แผนพัฒนาผังเมือง นโยบายและแผนงานต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง เพื่อสรุปแนวทางที่เหมาะสมสาหรับจำแนกโครงข่ายทางหลวงสายหลัก
2) การพิจารณาคัดเลือกพื้นที่ศึกษาและรูปแบบการพัฒนา พิจารณาคัดเลือกโดยนำข้อมูลด้านวิศวกรรม ด้านการจราจรและขนส่ง ด้านความปลอดภัย ด้านเศรษฐกิจ ด้านสิ่งแวดล้อมและด้านอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้อง มาใช้พิจารณาในการคัดเลือกอย่างน้อย 400 กิโลเมตร
3) การศึกษาทางด้านเศรษฐกิจและสังคม รวบรวมข้อมูลพื้นฐานด้านเศรษฐกิจและสังคมที่เกี่ยวข้องจากหน่วยงานต่าง ๆ ทั้งในระดับชาติ ระดับภาค ระดับจังหวัด รวมถึงพื้นที่อิทธิพลของโครงการ ทั้งภาคเศรษฐกิจสาขาต่าง ๆ ที่ได้รับผลกระทบจากโครงการ เพื่อนำมาใช้ในการวิเคราะห์และคาดการณ์ปริมาณจราจร
4) งานศึกษาทางด้านการจราจรและขนส่ง ศึกษาด้านจราจรและขนส่งเพื่อให้มราบถึงสถานการณ์ของการจราจร และการคมนาคมขนส่ง ที่เป็นที่มาของปัญหาในแต่ละพื้นที่ศึกษา และนำข้อมูลที่ได้มาใช้ในการศึกษา วิเคราะห์ และจัดทำแผนพัฒนาและเพิ่มประสิทธิภาพ เพื่อแก้ไขปัญหาจราจรและยกระดับความปลอดภัยโครงข่ายทางหลวงสายหลักต่อไป
5) การศึกษาด้านวิศวกรรม สำรวจข้อมูลสภาพภูมิประเทศ ลักษณะของเส้นทาง สภาพแวดล้อมแวดล้อมสองข้างทาง ข้อมูลสาธารณูปโภคต่าง ๆ หรือข้อมูลอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้อง เพื่อใช้ในการกำหนดรูปแบบการพัฒนาที่เหมาะสมและการประมาณราคาเบื้องต้น
6) การศึกษาผลกระทบด้านสิ่งแวดล้อมเบื้องต้น รวบรวมข้อมูลทุติยภูมิจากรายงานและหน่วยงานราชการที่เกี่ยวข้อง ข้อมูลพื้นที่อ่อนไหวทางด้านสิ่งแวดล้อม และพื้นที่อนุรักษ์สิ่งแวดล้อมต่าง ๆ ครอบคลุมพื้นที่ที่คาดว่าจะได้รับผลกระทบ โดยศึกษาครอบคลุม 4 องค์ประกอบหลัก คือ ทรัพยากรสิ่งแวดล้อมทางด้านกายภาพ ทรัพยากรสิ่งแวดล้อมทางด้านชีวภาพ คุณค่าการใช้ประโยชน์ของมนุษย์ และคุณค่าต่อคุณภาพชีวิต
7) การมีส่วนร่วมของประชาชน (Public Participation) ดำเนินการรับฟังความคิดเห็นและข้อเสนอแนะจากกลุ่มผู้มีส่วนได้ส่วนเสียอย่างต่อเนื่องและตลอดระยะเวลาการศึกษาโครงการ
8) การวิเคราะห์โครงการด้านเศรษฐกิจ การวิเคราะห์ความเหมาะสมทางด้านเศรษฐกิจของโครงการเป็นการวิเคราะห์ความคุ้มค่าของการใช้ทรัพยากรเมื่อเทียบกับผลประโยชน์ทางด้านเศรษฐกิจที่ได้รับจากโครงการ โดยใช้การเปรียบเทียบระหว่าง “กรณีมีโครงการ” และ “กรณีไม่มีโครงการ” ด้วยวิธี Cost-Benefit Analysis
9) การจัดทำแผนการพัฒนาและเพิ่มประสิทธิภาพทางสายหลัก จัดทำแผนการพัฒนาและเพิ่มประสิทธิภาพทางหลวงสายหลักระยะ 20 ปี และจัดทำแผนปฏิบัติการ (Action Plan) ระยะ 10 ปี โดยการจัดทำแผนโครงการจะมีความสอดคล้องกับงบประมาณที่ได้รับในแต่ละปี และสอดคล้องตามยุทธศาสตร์/นโยบาย โดยใช้ผลการศึกษาความเหมาะสมด้านเศรษฐกิจ วิศวกรรม และผลกระทบสิ่งแวดล้อมเบื้องต้น (Pre-Feasibility Study) ประกอบการจัดทำแผนการพัฒนาและเพิ่มประสิทธิภาพทางหลวงสายหลัก เพื่อให้มีความถูกต้องและแม่นยำ