ถนนสุขุมวิท ซึ่งมีระยะทางส่วนใหญ่เป็น ทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 3 สายบางนา–หาดเล็ก เป็นหนึ่งในทางหลวงแผ่นดินสายประธานทั้งสี่ของประเทศไทย จุดเริ่มต้นเชื่อมต่อจากถนนเพลินจิต เขตคลองเตย กรุงเทพมหานคร มีเส้นทางไปตามชายทะเลภาคตะวันออก และสิ้นสุดที่อำเภอคลองใหญ่ จังหวัดตราด ติดต่อกับชายแดนจังหวัดเกาะกง ประเทศกัมพูชา รวมระยะทางยาวประมาณ 488 กิโลเมตร
ถนนสุขุมวิทในกรุงเทพมหานคร มีประวัติเริ่มต้นมาตั้งแต่ปี พ.ศ. 2462 เมื่อนางสาว อี. เอส. โคล หรือ "แหม่มโคล" ครูใหญ่โรงเรียนกุลสตรีวังหลัง ได้ย้ายโรงเรียนจากข้างโรงพยาบาลศิริราชมาอยู่ริมคลองแสนแสบซึ่งตอนนั้นยังไม่มีชุมชน การคมนาคมก็มีเพียงแต่คลองแสนแสบ จึงขอพระราชทานพระมหากรุณาธิคุณพระบาทสมเด็จพระมงกุฎเกล้าเจ้าอยู่หัว โปรดเกล้าฯให้ตัดถนนเพลินจิตต่อจากถนนปทุมวัน (ถนนพระรามที่ 1) จนถึงจุดบรรจบบนถนนวิทยุที่แยกไปสถานีวิทยุโทรเลข (แยกเพลินจิต) ซึ่งถนนดังกล่าวอยู่ในแนวถนนที่เจ้าพระยายมราช (ปั้น สุขุม) ดำริจะตัดไปสมุทรปราการอยู่แล้ว แต่กรมสุขาภิบาลยังไม่มีเงินสร้าง ในปี พ.ศ. 2466 โรงเรียนกุลสตรีวังหลังเปลี่ยนชื่อเป็น โรงเรียนวัฒนาวิทยาลัย นาย เอ.อี.นานา ได้เรี่ยไรเจ้าของที่ดินในย่าน แล้วนำเงินมาให้กรมสุขาภิบาลขุดคลองเอาดินพูนขึ้นเป็นถนน จากจุดตัดของถนนเพลินจิตกับถนนวิทยุ ไปจนถึงซอยเข้าโรงเรียนวัฒนาวิทยาลัย เป็นระยะทาง 3,072 เมตร
ต่อมาในปี พ.ศ. 2470 สมเด็จพระเจ้าบรมวงศ์เธอ กรมหลวงลพบุรีราเมศร เสนาบดีกระทรวงมหาดไทย ได้ขอพระบรมราชานุญาต รัชกาลที่ 7 ตัดถนนต่อจากปากซอยโรงเรียนวัฒนาวิทยาลัยไปถึงสมุทรปราการ ได้ชื่อว่า "ถนนกรุงเทพฯ-สมุทรปราการ" เปิดใช้งานเมื่อวันที่ 8 กันยายน พ.ศ. 2479 ต่อมาพระพิศาลสุขุมวิท (ประสพ สุขุม) บุตรเจ้าพระยายมราช (ปั้น สุขุม) และท่านผู้หญิงตลับ พระพิศาลสุขุมวิทดำรงตำแหน่งอธิบดีกรมทางคนที่ 5 ได้จัดทำ "โครงการก่อสร้างทางหลวงแผ่นดินแห่งราชอาณาจักรไทย" เป็นแม่บทในการสร้างทางหลวงเป็นเครือข่ายครอบคลุมทั่วประเทศ ถนนกรุงเทพฯ-สมุทรปราการ ถูกกำหนดให้เป็นทางสายหลักของภาคตะวันออก จึงสร้างต่อจากสมุทรปราการ ผ่านชลบุรี ระยอง ไปจนถึงตราด เรียกชื่อว่า "ถนนกรุงเทพฯ-ตราด" ทำให้คณะรัฐบาลสมัยจอมพล ป.พิบูลสงคราม ได้มีมติให้ตั้งชื่อทางหลวงสายกรุงเทพฯ-ตราดว่า ถนนสุขุมวิท เพื่อเป็นเกียรติแก่พระพิศาลสุขุมวิท เมื่อวันที่ 10 ธันวาคม พ.ศ. 2493
ถนนสุขุมวิท เริ่มนับหลักกิโลเมตรที่ 0 จากอนุสาวรีย์ประชาธิปไตย ถนนราชดำเนินกลาง โดยได้เริ่มต้นเรียกชื่อถนนสุขุมวิทตั้งแต่กรุงเทพมหานครบริเวณเพลินจิตหลังจากข้ามทางรถไฟสายปากน้ำ อนึ่งถนนสุขุมวิทช่วงตั้งแต่สี่แยกใต้ด่วนเพลินจิตถึงซอยสุขุมวิท 52 เป็นเส้นแบ่งเขตการปกครองระหว่างเขตวัฒนากับเขตคลองเตย หลังจากนั้นถือว่าเป็นส่วนหนึ่งของ เขตพระโขนง และเขตบางนา ก่อนเข้าเขตจังหวัดสมุทรปราการ ผ่านเข้าสู่จังหวัดในภาคตะวันออก ได้แก่ จังหวัดฉะเชิงเทรา ชลบุรี ระยอง จันทบุรี และไปสิ้นสุดที่จังหวัดตราด ปัจจุบันทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 318 (ช่วงตัวเมืองตราดถึงด่านพรมแดนบ้านหาดเล็ก อำเภอคลองใหญ่) ได้ถูกกำหนดให้เป็นส่วนหนึ่งของทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 3 ทำให้ถนนสุขุมวิทมีระยะทางเพิ่มขึ้นอีก 89 กิโลเมตร
ถนนสุขุมวิทช่วงต้น ๆ สายที่ผ่านกรุงเทพมหานคร ถือเป็นเขตธุรกิจสำคัญแห่งหนึ่งของกรุงเทพมหานคร ตามซอยต่าง ๆ ตลอดแนวถนนสุขุมวิทในช่วงนี้ยังเป็นที่อยู่อาศัยของชาวต่างชาติเป็นจำนวนมาก นอกจากนี้ยังเป็นแหล่งบันเทิงใหญ่ของเมืองอีกด้วย และที่สำคัญถนนสุขุมวิทยังมีแนวระบบขนส่งมวลชนตามแผนแม่บท ซึ่งก็คือรถไฟฟ้าบีทีเอสสายสุขุมวิทด้วย โดยวิ่งเหนือถนนสุขุมวิทตั้งแต่สถานีเพลินจิตถึงสถานีแบริ่งหรือสุดเขตกรุงเทพมหานคร และในปัจจุบันได้มีการสร้างส่วนต่อขยายระยะที่ 2 ระหว่างแบริ่ง - สมุทรปราการ โดยส่วนต่อขยายดังกล่าวจะยกระดับถนนสุขุมวิทตลอดเส้นทาง คาดว่าจะเปิดให้บริการได้ในปี พ.ศ. 2559
