Công trình bắt đầu từ trước giao lộ cầu Tân Thuận 2 - Nguyễn Văn Linh đi dọc theo đường Nguyễn Văn Linh, rẽ trái ở ngã tư Huỳnh Tấn Phát để kết nối vào đường Lưu Trọng Lư.
Cầu tiếp tục cắt qua khu cảng Tân Thuận, vượt sông Sài Gòn, rồi nối với Khu đô thị Thủ Thiêm tại giao lộ trục Bắc Nam và tuyến R4.
Cầu Thủ Thiêm 4 dài gần 2,2 km, rộng 28 m với 6 làn xe và 2 lề bộ hành; tuổi thọ thiết kế 100 năm, chịu được động đất cấp 7; tĩnh không thông thuyền 80x10 m; vận tốc thiết kế 60 km/h.
Theo nhiệm vụ thiết kế vừa được UBND TP.HCM phê duyệt, cầu phải có kiến trúc mang tính biểu tượng, độc đáo, tạo điểm nhấn cho quận 2 và 7.
Sở Quy hoạch - Kiến trúc thành phố được giao chủ trì việc tổ chức thi tuyển để làm cơ sở triển khai dự án.
Hồi năm 2015, liên danh 3 công ty bất động sản và xây dựng trong nước đã gửi văn bản cho Thành ủy và UBND TP HCM đề xuất được đầu tư xây dựng cầu Thủ Thiêm 4 bằng hình thức đổi đất tại Khu đô thị mới Thủ Thiêm với tổng mức đầu tư 5.200 tỷ đồng.
Thành phố sau đó kiến nghị Thủ tướng cho phép chỉ định liên danh này xây dựng cầu theo hình thức BT (xây dựng - chuyển giao).
Cầu Thủ Thiêm 4 được kỳ vọng góp phần giảm ùn tắc giao thông từ khu Nam Sài Gòn về trung tâm, đồng thời giúp Khu đô thị mới Thủ Thiêm phát triển nhanh, góp phần thúc đẩy phát triển kinh tế - xã hội thành phố.
Theo quy hoạch, có 5 cây cầu và một hầm chui nối các khu vực khác của thành phố với Khu đô thị Thủ Thiêm (quận 2). Hiện cầu Thủ Thiêm 1 và hầm vượt sông Sài Gòn (nối quận 1 và quận 2) đã được đưa vào sử dụng.
Đầu năm 2015, cầu Thủ Thiêm 2 với tổng số vốn gần 3.100 tỷ đồng cũng được khởi công nhưng do vướng mặt bằng phía quận 1 nên đến nay vẫn chưa xong.