ถนนเพชรเกษม ซึ่งมีระยะทางส่วนใหญ่เป็น ทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 4 หรือ ทางหลวงสายกรุงเทพมหานคร–จุดผ่านแดนถาวรสะเดา (เขตแดนไทย/มาเลเซีย) เป็นทางหลวงแผ่นดินสายประธานของประเทศไทย ที่มีเส้นทางมุ่งสู่ภาคใต้ของประเทศไทย มีระยะทาง 1,274 กิโลเมตร นับเป็นทางหลวงหรือถนนสายที่ยาวที่สุดในประเทศไทย ถนนเพชรเกษมมีเส้นทางเริ่มต้นที่สะพานเนาวจำเนียร (ข้ามคลองบางกอกใหญ่) ตั้งอยู่บนเส้นแบ่งการปกครองระหว่างเขตบางกอกใหญ่กับเขตธนบุรี กรุงเทพมหานคร สิ้นสุดที่จุดผ่านแดนถาวรสะเดา อำเภอสะเดา จังหวัดสงขลา บริเวณเขตแดนประเทศไทยกับประเทศมาเลเซีย เชื่อมต่อกับทางพิเศษเหนือ–ใต้ สายเหนือ ที่เมืองบูกิตกายูฮีตัม รัฐเกดะห์ ประเทศมาเลเซีย บางช่วงของทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 4 เป็นส่วนหนึ่งของทางหลวงเอเชียสาย 2 และทางหลวงเอเชียสาย 123
ถนนเพชรเกษมตั้งชื่อตามชื่อหลวงเพชรเกษมวิถีสวัสดิ์ (แถม เพชรเกษม) อธิบดีกรมทางหลวงคนที่ 7 หลวงเพชรเกษมวิถีสวัสดิ์เป็นนักเรียนทุนหลวงของกรมรถไฟ ไปศึกษาวิชาวิศวกรรมโยธาที่สหราชอาณาจักร และกลับมารับราชการที่กรมรถไฟหลวง ต่อมาย้ายไปสังกัดกรมทางหลวง เมื่อถนนเพชรเกษมสร้างเสร็จเมื่อ พ.ศ. 2493 จึงได้รับการตั้งชื่อเพื่อเป็นเกียรติแก่บุคคลดังกล่าวเมื่อวันที่ 10 ธันวาคม ปีเดียวกัน ตามนโยบายของรัฐบาลสมัยจอมพล ป. พิบูลสงครามเป็นนายกรัฐมนตรี ที่ให้ตั้งชื่อถนนตามชื่อนายช่างใหญ่ผู้ควบคุมการก่อสร้างหรือการบังคับบัญชารับผิดชอบ
ถนนเพชรเกษมเริ่มต้นที่สะพานเนาวจำเนียร (สะพานข้ามคลองบางกอกใหญ่) ผ่านเขตบางกอกใหญ่ เขตภาษีเจริญ เขตบางแค และเขตหนองแขม กรุงเทพมหานคร แล้วผ่านลงไปยังจังหวัดทางภาคตะวันตกและภาคใต้ โดยผ่านจังหวัดสมุทรสาคร จังหวัดนครปฐม จังหวัดราชบุรี จังหวัดเพชรบุรี จังหวัดประจวบคีรีขันธ์ จังหวัดชุมพร แล้วตัดเข้าจังหวัดระนอง (ไม่ผ่านจังหวัดสุราษฎร์ธานี) แล้วผ่านจังหวัดพังงา จังหวัดกระบี่ จังหวัดตรัง จังหวัดพัทลุง และสิ้นสุดที่จุดผ่านแดนถาวรสะเดา อำเภอสะเดา จังหวัดสงขลา เชื่อมต่อกับเมืองบูกิตกายูฮีตัม รัฐเกดะห์ ประเทศมาเลเซีย
ระยะทางส่วนใหญ่ของถนนเพชรเกษมมีฐานะเป็นทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 4 โดยมีบางช่วงที่เป็นส่วนหนึ่งของทางหลวงเอเชียสาย 2 (ตั้งแต่ทางแยกต่างระดับบางแค กรุงเทพมหานคร ถึงทางแยกต่างระดับปฐมพร จังหวัดชุมพร และตั้งแต่ทางแยกเอเชีย จังหวัดพัทลุง ถึงจุดผ่านแดนถาวรสะเดา จังหวัดสงขลา) และทางหลวงเอเชียสาย 123 (ตั้งแต่ทางแยกต่างระดับนครชัยศรี จังหวัดนครปฐม ถึงทางแยกหนองตะแคง จังหวัดราชบุรี) อนึ่ง เมื่อถนนเพชรเกษมผ่านเข้าไปในท้องถิ่นบางแห่ง เช่น กรุงเทพมหานคร เทศบาลนครอ้อมน้อย เทศบาลเมืองพังงา เทศบาลนครตรัง จะมีฐานะเป็นทางหลวงท้องถิ่น มิใช่ทางหลวงแผ่นดิน เนื่องจากกรมทางหลวงได้ถ่ายโอนความรับผิดชอบให้แก่องค์กรปกครองส่วนท้องถิ่นเหล่านั้นแล้ว
เนื่องจากถนนเพชรเกษมในแต่ละช่วงอยู่ในความรับผิดชอบดูแลของหน่วยงานที่แตกต่างกัน ดังนั้นหลักกิโลเมตรจึงมีวิธีการนับและจุดเริ่มต้นการนับที่ต่างกัน ได้แก่
ช่วงเขตกรุงเทพมหานคร เดิมอยู่ในความรับผิดชอบของกรมทางหลวงซึ่งเริ่มนับกิโลเมตรที่ 0+000 จากอนุสาวรีย์ประชาธิปไตย ถนนราชดำเนินกลาง เขตพระนคร มาทางถนนดินสอ ถนนตีทอง ถนนตรีเพชร ถนนสะพานพุทธ สะพานพระพุทธยอดฟ้า ถนนประชาธิปก และถนนอินทรพิทักษ์ ด้วยวิธีนับเช่นนี้ สะพานเนาวจำเนียรจะอยู่ที่กิโลเมตรที่ 4+400 และเส้นแบ่งเขตหนองแขมกับอำเภอกระทุ่มแบน จังหวัดสมุทรสาคร จะอยู่ที่กิโลเมตรที่ 21+375 ต่อมากรมทางหลวงได้โอนถนนเพชรเกษมในช่วงนี้ให้แก่สำนักการโยธา กรุงเทพมหานคร ซึ่งได้เปลี่ยนมานับกิโลเมตรที่ 0+000 จากสะพานเนาวจำเนียร เขตบางกอกใหญ่ (จุดเริ่มต้นที่แท้จริงของถนนเพชรเกษม) ไปจนสุดเขตหนองแขมที่กิโลเมตรที่ 16+975
ช่วงเขตจังหวัดสมุทรสาคร เดิมอยู่ในความรับผิดชอบของกรมทางหลวง ปัจจุบันได้ถ่ายโอนความรับผิดชอบให้แก่เทศบาลนครอ้อมน้อย จึงเปลี่ยนฐานะมาเป็นทางหลวงท้องถิ่น แต่ยังคงนับกิโลเมตรที่ 0+000 จากอนุสาวรีย์ประชาธิปไตยเช่นเดิม ด้วยวิธีนับเช่นนี้ เส้นแบ่งเขตหนองแขมกับอำเภอกระทุ่มแบนจะตรงกับกิโลเมตรที่ 21+375 และเส้นแบ่งเขตอำเภอกระทุ่มแบนกับอำเภอสามพราน จังหวัดนครปฐม จะตรงกับกิโลเมตรที่ 26+420
ช่วงเขตจังหวัดนครปฐมเป็นต้นไป มีฐานะเป็นทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 4 รับผิดชอบดูแลโดยกรมทางหลวง โดยเริ่มนับกิโลเมตรที่ 0+000 จากอนุสาวรีย์ประชาธิปไตย กรุงเทพมหานคร ด้วยวิธีนับเช่นนี้ ตรงเส้นแบ่งเขตระหว่างจังหวัดสมุทรสาครกับจังหวัดนครปฐมจะถือเป็นกิโลเมตรที่ 26+420 และจุดสิ้นสุดทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 4 ณ จุดผ่านแดนถาวรสะเดา อำเภอสะเดา จังหวัดสงขลา จะถือเป็นกิโลเมตรที่ 1310+554
ทั้งนี้ ในปัจจุบัน จำนวนกิโลเมตรที่ปรากฏบนหลักกิโลเมตรของทางหลวงหมายเลข 4 ยังคงลักลั่นอยู่เป็นบางช่วง อันเป็นผลมาจากวิธีการนับกิโลเมตรที่แตกต่างกันตามรายละเอียดดังนี้
เริ่มนับกิโลเมตรที่ 0+000 ตั้งแต่อนุสาวรีย์ประชาธิปไตย ไปตามถนนดินสอ ถนนตีทอง ถนนตรีเพชร ถนนสะพานพุทธ สะพานพระพุทธยอดฟ้า ถนนประชาธิปก ถนนอินทรพิทักษ์ มาถึงสะพานเนาวจำเนียร จากนั้นจะไปตามแนวสายทางหลวงหมายเลข 4 ที่ปรากฏในปัจจุบัน ไม่ผ่านเข้าตัวจังหวัดหรือชุมชนใด ๆ เมื่อมาถึงจุดตัดกับทางหลวงหมายเลข 3528 ด้านใต้ บริเวณหลังห้างสรรพสินค้าบิ๊กซี สาขาเพชรบุรี (ทางหลวงหมายเลข 4 สายเดิม แยกเข้าชุมชนต้นมะม่วง) อำเภอเมืองเพชรบุรี จะได้ระยะทาง 162.217 กิโลเมตร
วิธีแรก เป็นการนับกิโลเมตรแบบเดิม โดยเริ่มนับกิโลเมตรที่ 0+000 ตั้งแต่อนุสาวรีย์ประชาธิปไตย ไปตามถนนดินสอ ถนนตีทอง ถนนตรีเพชร ถนนสะพานพุทธ สะพานพระพุทธยอดฟ้า ถนนประชาธิปก ถนนอินทรพิทักษ์ มาถึงสะพานเนาวจำเนียร จากนั้นไปตามแนวทางหลวงหมายเลข 4 โดยผ่านสายเก่า (เข้าตัวจังหวัดนครปฐม ตัวอำเภอบ้านโป่ง ตัวอำเภอโพธาราม ชุมชนเจ็ดเสมียน ตัวจังหวัดราชบุรี ตัวจังหวัดเพชรบุรี และชุมชนต้นมะม่วงหลังห้างสรรพสินค้าบิ๊กซี สาขาเพชรบุรี) เมื่อมาถึงทางแยกเข้าชุมชนต้นมะม่วงหลังห้างสรรพสินค้าบิ๊กซี จะได้ระยะทาง 170.717 กิโลเมตร ต่อจากจุดนี้ก็จะนับเลขกิโลเมตรต่อไปตามวิธีนี้จนสิ้นสุดที่ทางแยกโคกเคียน อำเภอตะกั่วป่า จังหวัดพังงา ณ กิโลเมตรที่ 776+660 ส่วนตั้งแต่ทางแยกโคกเคียนเป็นต้นไป จะเป็นการนับแบบวัดระยะทางระหว่างอำเภอถึงอำเภอหรือจังหวัดถึงจังหวัดต่าง ๆ ในปัจจุบันการนับแบบวิธีนี้ได้ถูกยกเลิกไปแล้ว
วิธีที่สอง เป็นการนับกิโลเมตรแบบใหม่ จะปรากฏเลขกิโลเมตรที่มาจากวิธีนับที่ต่างออกไปอีกเนื่องจากไม่ใช้แนวทางหลวงหมายเลข 4 โดยตลอด กล่าวคือ เริ่มนับกิโลเมตรที่ 0+000 (โดยสมมุติ) จากอนุสาวรีย์ประชาธิปไตย ไปตามแนวถนนราชดำเนินกลาง ถนนสมเด็จพระปิ่นเกล้า ถนนบรมราชชนนี ถึงทางแยกต่างระดับนครชัยศรี (ท่าตำหนัก) แล้วนับต่อไปตามทางหลวงหมายเลข 4 แนวปัจจุบัน จนกระทั่งถึงทางแยกต่างระดับชะอำจะนับไปตามทางหลวงหมายเลข 37 (ทางหลวงหมายเลข 4 สายเดิม เลี่ยงเมืองชะอำและหัวหิน) จนสิ้นสุดการนับที่ทางแยกวังยาว อำเภอปราณบุรี จังหวัดประจวบคีรีขันธ์ ได้ระยะทางรวม 237.009 กิโลเมตร ซึ่งจะถือว่าทางแยกวังยาวเป็นกิโลเมตรที่ 237+009 และจะนับเลขกิโลเมตรต่อไปตามวิธีนี้จนสิ้นสุดทางหลวงหมายเลข 4 ที่จุดผ่านแดนถาวรสะเดา ณ กิโลเมตรที่ 1310+554 จึงทำให้เลขหลักกิโลเมตรช่วงตั้งแต่ทางแยกเข้าชุมชนต้นมะม่วงหลังห้างสรรพสินค้าบิ๊กซี สาขาเพชรบุรี จนถึงทางแยกโคกเคียน จะมีจำนวนกิโลเมตรจากการนับแบบใหม่และแบบเก่าต่างกันประมาณ 14 กิโลเมตร ปัจจุบันกรมทางหลวงได้ทยอยปรับปรุงตัวเลขไปมากแล้ว
อย่างไรก็ตาม ทางหลวงหมายเลข 4 เฉพาะช่วงตั้งแต่จุดตัดกับทางหลวงหมายเลข 3528 ด้านใต้ บริเวณหลังห้างสรรพสินค้าบิ๊กซี สาขาเพชรบุรี จนถึงทางแยกวังยาว จะเริ่มนับเลขกิโลเมตร (ตามที่ปรากฏบนหลักกิโลเมตรของทางหลวงหมายเลข 4) จากทางแยกวังยาว (กิโลเมตรที่ 237+009) นี้ ย้อนขึ้นไปทางทิศเหนือ ผ่านตัวอำเภอหัวหินและตัวอำเภอชะอำ (ไม่เข้าทางหลวงหมายเลข 37) จากนั้นผ่านท้องที่อำเภอชะอำ อำเภอท่ายาง และอำเภอบ้านลาดตามปกติ จนถึงจุดตัดกับทางหลวงหมายเลข 3528 ด้านใต้ บริเวณหลังห้างสรรพสินค้าบิ๊กซี สาขาเพชรบุรี รวมระยะทางช่วงนี้ 80.61 กิโลเมตร จึงทำให้จุดนี้ตรงกับกิโลเมตรที่ 156+399 แทนที่จะเป็นกิโลเมตรที่ 162+217
จังหวัดประจวบคีรีขันธ์เป็นจังหวัดที่มีถนนเพชรเกษมตัดผ่านเป็นระยะทางยาวถึง 212.473 กิโลเมตร นับเป็นจังหวัดที่มีถนนเพชรเกษมตัดผ่านเป็นระยะทางยาวที่สุดเป็นอันดับ 2 รองจากจังหวัดพังงา