Công trình có tổng chiều dài 1.250m kéo dài từ giao lộ Nguyễn Hữu Cảnh – Ngô Tất Tố (phường 22, quận Bình Thạnh) vượt sông Sài Gòn đến đường Lương Định Của (phường An Khánh, quận 2).
Phần cầu chính gồm 5 nhịp, rộng 6 làn xe, phần cầu dẫn phía quận Bình Thạnh gồm 4 nhánh, mỗi nhánh rộng 2 làn xe. Một hầm chui dài 460m, rộng 4 làn xe sẽ được xây dựng tại nút giao Nguyễn Hữu Cảnh –Ngô Tất Tố. Trên địa bàn quận 2, cầu dẫn có chiều dài 160m, rộng 6 làn xe, đường dẫn dài 280m, rộng 47m.
Ngoài ra, cầu Thủ Thiêm còn được thiết kế hệ thống đường gom ở hai đầu cầu với tổng chiều dài 1.460m. Tổng vốn đầu tư của công trình lên đến 1.099 tỷ đồng, trong đó tổng chi phí đền bù giải tỏa là 446 tỷ đồng.
Trong tương lai, cùng với hầm ngầm vượt sông Sài Gòn, cầu Thủ Thiêm sẽ kết nối với đại lộ Đông – Tây tạo thành tuyến đường huyết mạch thúc đẩy sự phát triển của khu đô thị mới Thủ Thiêm. Theo dự kiến, công trình sẽ hoàn thành sau 16 tháng thi công.