Kết cấu nhịp của cầu chính theo dạng cầu dây văng nhiều nhịp với 5 trụ tháp hình thoi và 6 nhịp dây văng, bắt đầu tại phường Phú Thượng, quận Tây Hồ đến điểm cuối giao với quốc lộ 3 tại km 7+100, xã Vĩnh Ngọc huyện Đông Anh. Cầu được khởi công ngày 7/3/2009, ngay sau khi hoàn thành cầu Thanh Trì và hoàn thành nhân kỷ niệm Thăng Long-Hà Nội 1000 năm và được khánh thành vào ngày 4/1/2015, đồng bộ với đường Nhật Tân - Nội Bài tạo nên một tuyến cao tốc nội đô hiện đại, rút ngắn thời gian di chuyển từ cảng hàng không quốc tế Nội Bài tới trung tâm Hà Nội.

Hệ thống đường dẫn lên cầu Nhật Tân.

Mặt cầu rộng 33,2m với 8 làn xe cho cả hai chiều, chia thành 4 làn xe cơ giới, 2 làn xe buýt, 2 dải xe hỗn hợp, phân cách giữa, đường dành cho người đi bộ. Cầu dài 3,9km và có đường dẫn 5,17 km, trong đó phần chính của cầu qua sông dài 1,5 km.

Đây là một trong ba cây cầu có số nhịp văng lớn nhất thế giới, được áp dụng những công nghệ tiên tiến nhất của Nhật Bản. Thiết kế của cầu mang ý nghĩa rất lớn, với 5 trụ tháp tượng trưng cho 5 cửa ô của Hà Nội, giống như 5 cánh hoa đào của làng đào Nhật Tân.

Đã từng có một số ý kiến cho rằng nên đổi tên cầu thành cầu Cổ Loa hoặc Đông Đô, theo tên của kinh thành Thăng Long các thời An Dương Vương và Lê Lợi, vì địa danh xây dựng cầu không nằm trên đất vùng trồng đào Nhật Tân nổi tiếng…/.