Die B 421 beginnt unweit des südlichsten Punktes von Nordrhein-Westfalen an der B 265 im Hellenthaler Ortsteil Losheim, nahe der belgischen Grenze. Ostwärts führt sie über die Landesgrenze zu Rheinland-Pfalz hinab nach Hallschlag, von wo sie über 17 km dem Verlauf der Kyll folgt. Sie führt, wiederum nach Überschreiten der Landesgrenze Rheinland-Pfalz / Nordrhein-Westfalen, am Kronenburger See entlang, durch Kronenburg und erreicht Stadtkyll, nachdem sie die vielbefahrene B 51 und die Landesgrenze nach Rheinland-Pfalz überquert hat.
Nun führt sie durch Jünkerath und Hillesheim nach Dockweiler, wo die B 410 kreuzt. Durch die Vulkaneifel geht es weiter nach Daun (Kreuzung mit der B 257) und Mehren, wo die Autobahnen A 1 und A 48 noch gemeinsam verlaufen, wenige Kilometer bevor der Arm der A 1 am Autobahndreieck Vulkaneifel nordwärts in Richtung des geplanten Lückenschlusses abzweigt.
Weiter verläuft die B 421 in Richtung des Moseltals, durch Kinderbeuern und Alf bis nach Zell, wo sie die Mosel überquert. Auf diesem Stück teilt sie sich die Trasse zunächst mit der B 49, dann mit der B 53.
