Tuyến đường cao tốc Mai Sơn – Quốc lộ 45 có chiều dài 63,37 km, trong đó đoạn qua Ninh Bình dài 14,35 km, đoạn qua Thanh Hóa 49,02 km. Điểm đầu tại nút giao Mai Sơn, huyện Yên Mô, tỉnh Ninh Bình, kết nối với đường cao tốc Cao Bồ – Mai Sơn và trong tương lai là đường cao tốc Ninh Bình – Hải Phòng khi hoàn thành. Điểm cuối giao với đường Nghi Sơn – Thọ Xuân tại xã Tân Phúc, huyện Nông Cống, tỉnh Thanh Hóa, nối tiếp với đường cao tốc Quốc lộ 45 – Nghi Sơn.

Giai đoạn 1 của dự án xây dựng mặt đường 4 làn xe không có làn dừng khẩn cấp (có một số điểm dừng khẩn cấp), nền đường rộng 17 m, vận tốc thiết kế 80 km/h; giai đoạn hoàn chỉnh xây dựng theo quy mô 6 làn xe, nền đường rộng 32,25 m, vận tốc thiết kế 120 km/h. Trên tuyến có hai hầm xuyên núi là hầm Tam Điệp (dài 245 m) và hầm Thung Thi (dài 680 m) thiết kế 6 làn xe gồm hai ống hầm song song với nhau. Ngoài ra, cầu Núi Đọ vượt sông Chu trên tuyến cũng là cây cầu vượt sông dài nhất tỉnh Thanh Hóa tính đến thời điểm hiện tại.