Varaseimad kirjalikud andmed Tallinna–Narva tee kohta pärinevad 17. sajandi algusest, mil Hollandi saatkond reisis TallinnastVenemaale. Hollandlaste marsruut oli Tallinn–Valkla–Kolga–Toolse–Kudruküla–Narva ja neil kulus sihtkohta jõudmiseks viis päeva. Narvast Vokani kattus hollandlaste marsruut hilisema Peterburi–Riia postiteega. 1780. aastal suunati raskesti läbitava Toila oru tõttu tee põhjarannikult lõuna poole. Tallinna–Peterburi ja Peterburi–Riia postimaanteede uueks lahknemiskohaks sai Jõhvi.[1]
Kuni 20. sajandi alguseni oli Tallinna–Narva tee kitsas ja käänuline pinnastee, kuid seoses autotranspordi kiire arenguga toimusid Venemaa Keisririigi viimastel aastatel maantee tähtsamatel lõikudel (Tallinna, Jõhvi ja Narva ümbruses) teetööd, ehitati kruusateid ja rajati püsisildu. Maantee remonditööd toimusid naturaalkohustuse alusel.[1]
Iseseisva Eesti Vabariigi ajal suudeti parandada vaid üksikuid Tallinna–Narva tee lõike, kuigi maantee kuulus kõrgeima ehk I klassi maanteede hulka. Siiski paranes Tallinna–Narva tee seisukord tunduvalt pärast 1929. aastat, kui hakkas kehtima maanteede seadus. Uue seadusega kaotati I klassi maanteedelt naturaalkohustus ja teede korrashoidu hakati rahastama riigikassast. 1930. aastate teisel poolel said püsiva katte Tallinna, Kohtla-Järve ja Narva sissesõidud. 1940. aastal, vahetult enne Eesti okupeerimist, koostati viie aastane tegevuskava, mis nägi ette ehitada Harjumaal 20 kilomeetrit ja Virumaal 70 kilomeetrit uut teed. Puhkenud sõja tõttu jäid plaanid teostamata. Tallinna–Narva tee sai sõjas rängalt kannatada.[1]
Maantee taastamisega tehti algust 1944. aasta sügisel ning aktiivsem taastamistöö toimus kahe järgneva aasta jooksul. Maantee tähtsust tõstis see, et Tallinna–Narva tee oli otseühendus Eesti NSV pealinna Tallinna ja NSV Liidu tähtsuselt teise linna Leningradiga. Suuremahulised teetööd algasid Tallinna–Leningradi maanteel 1945. aasta lõpus või 1946. aasta alguses. Peamise tööjõuna kasutati tee-ehitusel Nõukogude Liidus selleks ajaks juba üsna tavapäraseks kujunenud praktika kohaselt teises maailmasõjas sõjavangi langenud Saksa sõjavange. Sakslaste peamine töö oli tee muldkeha ehitus, mis toimus suurelt jaolt käsitsi, ka muldkeha tihendamine toimus käsitsi, tambitsa abil. Betoonitööd olid mehhaniseeritud, betoonkatte servadesse paigutati terasest roopad, mida mööda liikus USA-st majandusabi korras saadud betoneerimismasin. Saksa sõjavangid lõpetasid ehitustööd Narva maanteel 1949. aasta oktoobri lõpus, mil nad kodumaale tagasi viidi. Sakslaste asemele toodi maanteed ehitama Vene vangid, kes töötasid maanteel 1950. aastate lõpuni.[2]
Maanteede Valitsuse tegevuse õiendi alusel oli Saksa sõjavangide ehitatud betoonmaantee ehituse alguspunktiks maantee 22. kilomeetri lõpp. Sakslaste ehitatud tsementbetoontee pikkus oli ligi 28 kilomeetrit. 1964. aasta maantee passis kulges tsementbetoontee kilomeetritel 22,8–49,8. Maantee ehituse ajal surnud sõjavangide ametlik kalmistu asub Tallinnas Kloostrimetsas, Pirita ja Metsakalmistu vahel. Aja jooksul asendati betoontee asfaltbetoonkattega. Viimased lõigud vangide tehtust kaeti 1980. aastate alguses.[2]
1940. aastate lõpus ja 1950. aastate alguses alustati Tallinna–Narva teel mustkatte ehitamist ja 1950. aastate alguses alustati Narva maanteel ajutiste puitsildade asendamist raudbetoonsildadega. Tallinna–Narva teel toimus vilgas ehitustegevus vaatamata sellele, et ülejäänud maanteede olukord oli väga vilets. 1956. aastaks Narva maantee kogu pikkuses tolmuvaba. Esimene Eesti asfaltbetoontehas avati Tallinna–Narva tee läheduses Pahnimäel. Mõne aja pärast rajati tehased ka Kohtla-Järvele ja Toilasse. Lõviosa 1950. aastate lõpu ja 1960. aastate alguse Eesti NSV asfaltbetoonitoodangust läks just Narva maantee katte ehituseks. 1960. aastate keskpaigas oli Tallinna–Narva tee vaieldamatult Eesti NSV kõige moodsam ja paremas seiskorras olev tee.[2]
1964. aasta veebruaris alustati Tallinna–Leningradi maantee esimestel kilomeetritel (4,9–12,2), Tallinna–Maardu vahelise lõigu tsementbetoontee ehitustöid. Teelõiku ehitati kolm ja pool aastat. Muldkeha oli 30 meetrit lai ja teekatte laius oli 2 × 7,6 meetrit (neli sõidurada, kummalgi pool kaks). 1967. aasta novembris valminud 7,1 kilomeetri pikkuse lõigu näol oli tegemist Eesti esimese kahe eraldatud sõidusuundadega maanteega. Ekslikult on arvatud, et just seda teelõiku ehitasid Saksa sõjavangid.[2]
Tallinna–Narva tee laiendamine jätkus 1970. aastatel seoses 1980. aasta Moskva olümpiamängudepurjespordivõistluste toimumisega Tallinnas. Suurimaks projektiks kujunes Kuusalu–Valgejõe 23,7 kilomeetri pikkuse teelõigu neljarealiseks ehitamine. Olümpiamängude ettekäändel remonditi ka mitmeid teisi maantee lõike. Maantee neljarealiseks ehitamist jätkati ka 1980. aastatel ja kümnendi lõpuks oli lisandunud 24,3 kilomeetrit I klassi maanteed. Ehitustööd peatusid 1990. aastate alguses Eesti taasiseseisvumisele järgnenud majanduslanguse tõttu.[2]
Poolelijäänud töid jätkati vaikselt 1990. aastate teises pooles. 2002. aastal alanud Ikla–Tallinn–Narva tee taastusremondi projekti raames rekonstrueeriti põhjalikult maantee Virumaale jääv osa, kokku 113,7 kilomeetri ulatuses.[2] 2004. aastal alustati Maardu–Valgejõe teelõigu rekonstrueerimist, et viia see euronõuetega vastavaks.[3] Valgejõe–Rõmeda teelõigu renoveerimise esimese etapi raames toimusid 2009 – 2011 suuremahulised rekonstrueerimistööd Liiapeksi–Loobu teelõigul. Teiseks etapiks oli Viitna möödasõidu ehitus, mida oli alustatud juba 1980. aastatel.[4] Neljarealise maanteena ehitatud möödasõit valmis 2012. aastal.[5]
2010. aastal valmis neljarealine Kukruse–Jõhvi teelõik, mis oli seni Eesti suurim ja kallim tee-ehitusprojekt. See Tallinna–Narva tee 7- kilomeetrine lõik (156,0–163,2) oli varem üks Eesti ohtlikumaid teelõike.[6] 2012 aastal avati Loo–Maardu rekonstrueeritud teelõik. Tööde käigus ehitati teelõik 3,7 kilomeetri ulatuses kuuerajaliseks ning 3,1 kilomeetri ulatuses neljarajaliseks I klassi maanteeks.[7] Tegemist oli esimese kuuerealise maanteelõiguga Eestis. Samal aastal valmis ka Tallinna–Narva ja Rakvere–Haljala tee eritasandiline ristmik.[8]
Sillamäe eritasandiline liiklussõlm valmis 2017. aastal. Sama projekti raames kaotati ka samatasandiline ristumine Sillamäe sadama raudteega.[9] Rõmeda ja Haljala vaheline neljarealine teelõik avati 2020. aastal, mille järel on Tallinn–Narva tee 80 kilomeetrine lõik Tallinnast Haljalani täies ulatuses vähemalt neljarealine I klassi maantee.[10]