312国道东部起点与318国道相同，起点为上海黄浦区，终点为新疆伊犁地区霍尔果斯市。它途经江苏、安徽、河南、湖北、陕西、宁夏、甘肃，共跨越9个省、自治区、直辖市，全长4967公里，仅次于318国道。

312国道始于上海黄浦区人民广场，向西北延伸至苏南“三马车”——苏州、无锡、常州，然后穿过镇江到达江苏省省会南京。

从南京出发，312国道进入安徽滁州，然后向西到达安徽省会合肥。从合肥出发，进入安徽省六安市，沿大别山北麓向西北方向行进，到达河南省信阳市。信阳之后，312国道短距离通过湖北省随州市边境。再沿铜柏山向西北经铜柏县直接进入南阳盆地，至河南省南阳市。

离开南阳市后，312国道继续沿着西北方向，经过西峡县进入陕西省商洛市，然后一路穿过秦岭到达陕西省省会西安。这条路从南洋盆地起，沿着淡水谷，穿过秦岭，进入关中。著名的武关路就在这里，秦末汉高祖刘邦就是通过这条路率先入侵关中的。

312国道从西安出发，继续向西北方向行驶，途经甘肃咸阳、平凉，从宁夏固原以南的隆德县穿过六盘山，到达甘肃定西，最后到达甘肃省会兰州。兰州地处青藏高原与黄土高原的过渡地带，是中原通往河西和西部地区的必经之地。它是中国西北地区最大的交通枢纽之一。陇海铁路与兰新铁路在兰州交汇，形成了我国的亚欧铁路陆桥。

312国道从兰州出发，北穿武昭岭，进入河西走廊，依次经过武威、金昌、张掖、酒泉、嘉峪关。我相信大家都知道河西走廊的重要性。它在古代是连接中原和西域的纽带，也是古代丝绸之路的重要组成部分。强大的汉武帝征服了河西，赶走了匈奴，在河西建立了武威、张掖、酒泉、敦煌四郡，将河西走廊置于中原的控制之下。

312国道从河西走廊西段酒泉市瓜州县向西北，进入新疆哈密和吐鲁番，继续向北攀越大坂城和天山，进入新疆首府乌鲁木齐。

312国道从乌鲁木齐出发，沿着准噶尔盆地南缘和博罗科努山北麓向西行驶。途中经过赛义木湖，沿湖岸向西南行进，从果子沟进入伊犁河流域，最后到达312国道终点，也是连霍公路的终点，——霍尔果斯市。霍尔果斯是伊犁州的边境城市，与哈萨克斯坦接壤，是世界上第一个跨境自由贸易区的所在地。