東京都道・埼玉県道4号東京所沢線
東京23区
新宿大ガード東交差点から西は多摩地域に位置する西東京市の北原交差点（新青梅街道交点）まで東京都道5号新宿青梅線と重複する。西新宿の超高層ビル街の北縁を西進し、神田川を淀橋で渡ると中野区に入る。橋上は東京都道302号新宿両国線支線との交点となっている。淀橋から先は数百 mの間は広い中央分離帯が設置された上下7車線程度の広幅員となり、中野坂上で山手通りと交わった後は、しばらく上り3車線・下り2車線+停車帯となる。
杉並区に入り高円寺陸橋で環七と交差、地下鉄丸ノ内線新高円寺駅付近に位置する五日市街道入口交差点で、多摩地域を横断する主要地方道の一つである五日市街道と分かれ、天沼陸橋でJR中央線をオーバーパスし、杉並区の中心繁華街である荻窪に達する。荻窪駅を過ぎるとしばらくは自動車・歩行者ともに飽和状態の繁華街を通過するが、環八通りを過ぎると再び上り3車線・下り2車線+停車帯に戻り、周辺の街並みも住宅街へ変化するが、荻窪以東とは違い、緑も多くなり武蔵野の面影を目にする機会も出てくる。日産自動車荻窪工場跡を右側に、また善福寺公園が左側沿線に近い。井草八幡宮前で早稲田通りと合流する。
練馬区に入ってからも町並みは連続しているが、関町一丁目交差点で千川通りが合流、関町交番前で吉祥寺、北裏交差点で三鷹へ向かう道が分岐する。西東京市境となる東伏見四丁目交差点で分岐する道は五日市街道への連絡路となる。この辺りは武蔵野市との境目にも近い。
多摩地域
西東京市に入っても練馬区内同様の道幅であるが次第に高層の建物が減少する。東伏見坂上から下り勾配となり、東伏見交差点に達する。東伏見では都市計画道路の調布保谷線が交差、また西武柳沢駅方向へ向かう旧道が合流する。この交差点北側には東伏見稲荷神社があり、沿道にはラーメン店が点在する。東京ガス保谷整圧所のガスタンクを過ぎると車線数が片側3車線から2車線へと減少しながらカーブを描き、西武新宿線の高架橋と交差。そのすぐ先にある交差点は富士街道の終点となる。
次の田無町一丁目交差点で青梅街道は斜め左方に別れて路線名称も東京都道5号新宿青梅線になり、片側1車線の旧道の趣きで西武新宿線田無駅北口の市街地へと入ってゆくが、当路線はここより「所沢街道」と名称を変えて直進し、北原交差点までは青梅街道と新青梅街道を連絡を兼ねて片側2車線が続く。その間に武蔵境およびひばりが丘を結ぶ武蔵境通り（谷戸新道）との田無町三丁目交差点。以前はその先（西側）にある武蔵境通り（旧道）との交点に信号があり、ここでひばりが丘・武蔵境両方向へ向かうことができたが、現道が出来てから旧道への出入りは、下り車線から田無駅方面へのみ可能となった。
北原交差点では新青梅街道と斜めに交差する。斜め左方向の新青梅街道下り方面への分流は、2車線を維持して車両の通行量も圧倒的に大きいが、当路線は新青梅街道を横切って直進し、片側1車線となる。右側に広大な敷地を持つ東京大学農学部付属農場がある。六角地蔵尊交差点でひばりが丘団地へ向かって直進する市道と分かれ、当路線は斜め左へ進む。東久留米市に入り、南町四丁目交差点の北側にイオンモール東久留米、南側には当路線のバイパスとなる道（新所沢街道、都市計画道路東村山3・4・11号保谷東村山線）がある。新所沢街道は東久留米市南町から東村山市内の多摩北部医療センター西までの区間が開通している。東側の未通区間では、本道からの分岐となる六角地蔵尊交差点付近で用地買収が進んでいる。
住宅地の中を左右にカーブを描きながら北西へ進み、小金井街道を前沢交差点で、新小金井街道を下里二丁目交差点で交差したのち、東村山市に入る。右手には全生園の敷地が続き、その先でJR武蔵野線が半地下で交差、右へ進むと新秋津駅がある。秋津町三丁目交差点で本路線は左折する。直進する道は東村山市道「旧所沢街道」で所沢駅の南側の西武新宿線と西武池袋線の踏切に向かう。右は志木街道となり清瀬市方面へ通じる。左折し少し進み久米川町交差点でこんどは右折する。直進する道は府中街道となり、東村山市の中心部へと向かうことができる。右折した本路線は柳瀬川の谷へ向かって下り坂となり、川を渡ると埼玉県所沢市へ入る。