Mục tiêu đầu tư xây dựng dự án cầu Vĩnh Tuy - giai đoạn 2 theo quy hoạch là nhằm hoàn thiện toàn bộ đường vành đai II của thành phố Hà Nội; tăng cường khả năng lưu thông giữa hai bên bờ sông Hồng, đáp ứng nhu cầu vận tải ngày một tăng nhanh giữa trung tâm Thủ đô với khu vực phía Bắc và Đông Bắc thành phố.
Một mục tiêu nữa là cải thiện điều kiện khai thác, đảm bảo an toàn giao thông, kết nối hai bờ sông Hồng; tạo điều kiện phát triển kinh tế - xã hội, an ninh - quốc phòng ở quận Hai Bà Trưng, quận Long Biên nói riêng, Thủ đô Hà Nội nói chung; tạo tiền đề cho việc hình thành chuỗi đô thị phía Bắc Thủ đô; từng bước hoàn thiện hệ thống hạ tầng giao thông của Thủ đô theo quy hoạch.
Về quy mô đầu tư, hoàn thiện toàn bộ mặt cắt (với một cây cầu nữa) với quy mô, hình dáng giống như cây cầu giai đoạn 1 (tim cầu giai đoạn 2 nằm song song và cách tim cầu giai đoạn 1 về phía hạ lưu sông Hồng 21,25m).
Cụ thể, cầu được thiết kế vĩnh cửu bê tông cốt thép và bê tông cốt thép dự ứng lực. Điểm đầu dự án giao với đường Trần Quang Khải - Nguyễn Khoái - Minh Khai (quận Hai Bà Trưng), điểm cuối giao với đường Long Biên - Thạch Bàn thuộc quận Long Biên. Tổng chiều dài cầu và đường dẫn L = khoảng 3.504 m; chiều cao thông thuyền H = 10m; bề rộng thông thuyền B = 80m; mặt cắt ngang cầu B = 19,25 m (bao gồm: 4 làn xe; trong đó có 2 làn xe cơ giới, 1 làn xe buýt, 1 làn tổng hợp và dải đi bộ); xây dựng đồng bộ hệ thống hạ tầng kỹ thuật, chiếu sáng, tổ chức giao thông,... và hệ thống đường gom đảm bảo theo tiêu chuẩn, quy chuẩn hiện hành.
Dự án thuộc nhóm A với tổng mức đầu tư dự án khoảng 2.540,230 tỷ đồng, nguồn vốn thuộc ngân sách thành phố Hà Nội.
