Việc xây dựng thêm một cầu trên sông Hồng do nhu cầu giao thông của Hà Nội đã được dự kiến từ lâu rồi: thời Pháp thuộc có một dự án bắc một cầu qua sông ở đầu phố Gambetta sang bến Phú Viên của Gia Lâm.
Sau ngày độc lập, hoàn cảnh chiến tranh liên miên suốt ba mươi năm làm ta không có điều kiện xây dựng lớn. Năm 1972 mới có quyết định xây cầu Thăng Long, có sự viện trợ của Trung Quốc, cầu Thăng Long khởi công ngày 26 tháng 11 nám 1974. Thời kỳ đầu Trung Quốc giúp ta xây dựng nhưng mới được khoảng hai mươi phần trăm khối lượng công trình thì ngừng lại. Đến cuối năm 1978, Liên Xô giúp ta xây dựng tiếp cho đến khi hoàn thành.
Cầu Thăng Long được dựng ở ngang hai làng Đông Ngạc và Võng La, chỗ có khúc sông hẹp lòng nhất, cầu gồm: phần cầu chính qua sông dài 1.688 mét; cầu có hai tầng: tầng dưới rộng 17 mét, giữa có hai đường sắt song song khổ 1,435 mét và khổ 1 mét và hai đường xe thô sơ hai bên cầu, mỗi đường rộng 3,5 mét; tầng trên rộng 19,5 mét là đường dành cho xe ô tô, (rộng 16,5 mét đủ cho bốn làn xe chạy tốc độ cao), và hai bên là lối đi của người đi bộ (mỗi bên rộng 1,5 mét), cầu chính có 15 nhịp đặt trên 14 trụ và hai mố cao 14 mét; phần cầu dẫn ở hai bên bờ bắc và bờ nam cho xe lửa và xe ô tô riêng rẽ nhau.
Kể cả phần cầu dẫn trên hai bờ, thì đường cho xe lửa dài 5.503 mét; đường cho xe ô tô dài 3.200 mét; cho xe thô sơ và người đi bộ dài 2.650 mét.
Đường nối với cầu Thăng Long ở phía bắc, xe lửa từ ga Đông Anh, qua ga Bắc Hồng được làm trước để chuyển vận vật liệu đến ga Kim Mỗ. Ở phía nam, đường dài 30 cây số qua các địa điểm: Cổ Nhuế, Phú Diễn, Ba La Bông Đỏ, Cự Đà, Ngọc Hồi rồi nhập vào đường sát dọc quốc lộ 1. Sẽ có các nhà ga Phú Diễn, Hà Đông (Văn La), Ngọc Hồi (Việt Hưng). Đường sát hai bên đầu cầu và các ga đều đặt ray khổ 1,435 mét và 1 mét.
Đường bộ bên bờ bắc dài 6 cây số, bên bờ nam 4 cây số (nối với đường đê sông Hồng, đường 11A và đường 6A). Đường nền rộng 26 mét cho hai làn xe ô tô chạy hai chiều và hai lối dành cho xe thô sơ và người đi bộ. Suốt dọc đường mới làm phải bắc năm cầu sắt loại trung ở Cổ Nhuế, Cầu Ngà, La Khê, Cầu Đơ (Hà Đông) và Cự Đà.
Tổng khối lượng vật tư (chủ yếu là để làm cầu); bê tông 230.000 mét khối, sắt thép 53.294 tấn. Chế tạo và lao lắp 946 phiến rầm bê tống (mỗi rầm dài 32,7m, nặng từ 34 tấn đến 130 tấn nâng lên trụ phải có cẩu 200 tấn); toàn bộ rầm thép kể cả mặt cầu nặng 26.000 tấn, mặt cầu ô tô lắp ráp bằng 6.500 tấm 2,5m X 9,3m trên rải bê tông átphan. Chế tạo và đóng cọc ống bê tông dự ứng lực 550mm (chiều dài tổng số 110.000 mét). Trụ xây loại giếng chìm đường kính 18 mét, sâu dưới mặt đất từ 40 mét đến 60 mét, nhịp cầu dài 112 mét, rộng 10 mét, nặng 1.000 tấn.
Việc thi công cầu Thăng Long do Xí nghiệp Liên hiệp cầu Thăng Long làm (gồm bốn xí nghiệp cầu, một xí nghiệp cơ giới). Lực lượng cán bộ công nhân viên lúc đầu là 1.600 người, sau tăng lên đến 8.300 người. Liên Xô giúp ta đào tạo công nhân kỹ thuật, như thợ lặn sâu 50 mét, phun sơn, hàn tự động, kiểm tra hàn...
Trong quá trình xây dựng cầu Thăng Long đã hình thành ở Đông Ngạc một khu công nghiệp giao thông quan trọng: có nhà máy đúc các loại cấu kiện bê tông cầu đường, tà vẹt đường sắt; có cơ sở gia công các loại rầm thép; có hệ thống trạm thí nghiệm vật liệu xây dựng, thí nghiệm hàn điện... Xí nghiệp có gần 5.000 công nhân kỹ thuật của gần 100 nghề, và trên 340 kỹ sư, 450 trung cấp kỹ thuật.
- Từ năm 1979 đến nay đã có những bước hoàn thành:
+ Ngày 18/10/1983 nối xong các khung cầu trên 15 nhịp có 180 khoang.
+ Tháng 6/1984 thông tàu một làn đường 1 mét.
+ Ngày 19/5/1985 thông xe toàn cầu.
