陕西耀县北上铜川，到今陕北吴旗县、志丹县。转西北，经华池县黑老虎岭到定边县南，再往东北行进入今內蒙古鄂尔多斯地区。

经乌审旗北、伊金霍洛旗红庆河乡，直北而上。先后经过鄂尔多斯市西南二顷半村、西城梁古城，在达拉特旗境內昭君坟附近过黄河，直达九原郡。

秦朝击败匈奴，收取河南地，以河为塞所筑44座城，有许多就在这直道附近。

直道的修通，成为当时由秦朝的统治中心咸阳，直达边塞九原郡的一条捷径，大大地缩短了秦朝腹地与北方民族地区的距离。

公元前110年（元封元年），汉武帝“自泰山復东至海上，至碣石，自辽西历北边九原，归於甘泉”（《汉书》卷6《武帝纪》），所走的正是直道。

这次巡幸，司马迁曾经隨行，故而能將直道的起讫地点明確记载下来，並说“行观蒙恬所为筑长城亭障，堑山堙谷，通直道，固轻百姓力矣”（《史记》卷88《蒙恬列传》），对秦人开闢直道的利弊得失进行了歷史总结。

西汉时期不仅积极利用秦时所修的直道防御匈奴南犯，而且对於直道的维护也曾有所著力。据《汉书?地理志》记载，当时在北地郡新增了直路县和除道县，这两县正分別设在了子午岭段直道的南北两端，显然是为了加强对直道的控制。

直道的修筑，不仅沟通了中央与北疆的联繫，加强了对北部边疆地区的管理，也推动了南北经济文化的交流，进而促进了秦汉时期阴山地域的经济开发。