Dự án nhằm đáp ứng nhu cầu vận tải ngày càng tăng cao (đặc biệt khi một số dự án du lịch, nghỉ dưỡng cao cấp tại Sa Pa hoàn thành), xóa các điểm đen, giảm nguy cơ tai nạn giao thông trên quốc lộ 4D, rút ngắn thời gian đi từ Lào Cai đến Sa Pa và ngược lại, đồng thời góp phần nâng cao hiệu quả khai thác của đường cao tốc Nội Bài - Lào Cai cũng như thúc đẩy phát triển kinh tế - xã hội, đảm bảo an ninh quốc phòng khu vực Tây Bắc nói chung và tỉnh Lào Cai nói riêng; phù hợp với quy hoạch và định hướng phát triển giao thông vận tải.
Dự án đầu tư xây dựng gồm 2 tuyến, trong đó cải tạo tuyến quốc lộ 4D hiện hữu với chiều dài là 29,203 km (điểm đầu: Km108, thuộc thị trấn Sa Pa; điểm cuối: Km137+055 thuộc thành phố Lào Cai); xây dựng mới tỉnh lộ 155 nối Sa Pa với Lào Cai theo hướng song song với quốc lộ 4D với chiều dài là 25,003 km (điểm đầu: Km0+00 tương ứng với nút giao giữa đường cao tốc Nội Bài - Lào Cai với quốc lộ 4D tại Km135+940; điểm cuối Km25+003,74, chập với quốc lộ 4D tại Km105).
Theo phương án, quốc lộ 4D đoạn từ Km108 đến Km137+055 cơ bản bám theo tim đường hiện tại, cục bộ đoạn Km118+055 đến Km119+930 được xây dựng mới đi chung tỉnh lộ 155 (khu vực cầu Móng Sến Km10+863 đến Km9+750). Tỉnh lộ 155: xây dựng mới tuyến đường theo hướng nối dài tỉnh lộ 155 phù hợp với quy hoạch hạ tầng giao thông của tỉnh, với quy mô đường cấp IV miền núi.
Dự án được đầu tư theo hình thức đối tác công tư (PPP), loại hợp đồng BOT. Tổng mức đầu tư dự án là 2.510 tỷ đồng được chia làm 2 giai đoạn: Giai đoạn I (2018 - 2020); giai đoạn II (sau năm 2020).
Từ năm 2018 đến hết năm 2020, thực hiện công tác giải phóng mặt bằng, đầu tư xây dựng mới tỉnh lộ 155 đoạn từ nút giao với đường cao tốc Nội Bài - Lào Cai (tại Km0 tương ứng với Km135+900, quốc lộ 4D) đến Km13+800, kết nối với quốc lộ 4D tại Km117+550 (bao gồm cả cầu Móng Sến và đường dẫn hai đầu cầu) có chiều dài 13,8 km. Sau năm 2020, triển khai giai đoạn II của dự án; hoàn thành toàn tuyến theo quy mô dự án.
