Новоухтомское шоссе расположено за Московский кольцевой автодорогой. Начинается от продолжения улицы Молдагуловой и идёт на юго-восток. С севера к шоссе примыкает Муромская улица; по ходу движения шоссе пересекает Большую Косинскую улицу; проходит под эстакадой Косинского шоссе. Новоухтомское шоссе заканчивается, примыкая к Каскадной улице.
Вместе с улицей Молдагуловой Новоухтомское шоссе образует транспортную развязку на Московской кольцевой автодороге.