ในอดีต การเดินทางเข้าสู่จังหวัดอุทัยธานีส่วนใหญ่จะใช้ทางน้ำเป็นหลัก (แม่น้ำสะแกกรัง) ต่อมาเมื่อมีการพัฒนาเส้นทางคมนาคมทางบก กรมทางหลวงจึงได้เริ่มเข้ามาจัดตั้งหน่วยงานเพื่อบุกเบิกและก่อสร้างเส้นทางเชื่อมโยงระหว่างจังหวัดอุทัยธานีกับจังหวัดใกล้เคียง เช่น ชัยนาท และนครสวรรค์ เดิมทีพื้นที่รับผิดชอบของจังหวัดอุทัยธานีเคยอยู่ภายใต้การดูแลของแขวงการทางในจังหวัดใกล้เคียง (เช่น แขวงการทางชัยนาท หรือแขวงการทางนครสวรรค์) เนื่องจากในยุคแรก เส้นทางหลวงในอุทัยธานียังมีจำนวนไม่มากนัก จนกระทั่งเมื่อโครงข่ายถนนขยายตัวมากขึ้น จึงได้มีการจัดตั้งหน่วยงานภายในจังหวัดขึ้นมาโดยเฉพาะ

ตามราชกิจจานุเบกษา พ.ศ. 2558 กรมทางหลวงได้ทำการปรับปรุงระบบบริหารราชการส่วนภูมิภาคทั่วประเทศ ยุบเลิกคำว่า "แขวงการทาง" และเปลี่ยนเป็น "แขวงทางหลวง" เพื่อยกระดับและเพิ่มความชัดเจนในการปฏิบัติงาน บำรุงรักษา และบริการประชาชน ทำให้หน่วยงานนี้เปลี่ยนชื่ออย่างเป็นทางการเป็น "แขวงทางหลวงอุทัยธานี" นับตั้งแต่นั้นมา

ปัจจุบัน แขวงทางหลวงอุทัยธานี มีหน้าที่รับผิดชอบโครงข่ายทางหลวงในจังหวัดรวมระยะทางประมาณ 439.573 กิโลเมตร โดยแบ่งพื้นที่การบริหารและกระจายกำลังเจ้าหน้าที่ออกเป็น 5 หมวดทางหลวง เพื่อให้ครอบคลุมและเข้าถึงพื้นที่ได้อย่างรวดเร็ว:

1. หมวดทางหลวงอุทัยธานี: ดูแลพื้นที่บริเวณอำเภอเมืองอุทัยธานีและเส้นทางเชื่อมต่อหลัก

2. หมวดทางหลวงหนองฉาง: ดูแลเส้นทางสายกลาง ศูนย์กลางการเดินทางเชื่อมต่อไปยังอำเภออื่น ๆ

3. หมวดทางหลวงสว่างอารมณ์: ดูแลเส้นทางทางตอนเหนือของจังหวัดที่เชื่อมกับจังหวัดนครสวรรค์

4. หมวดทางหลวงลานสัก: ดูแลเส้นทางฝั่งตะวันตกตอนบน แหล่งเกษตรกรรมและทางไปแหล่งท่องเที่ยวธรรมชาติ

5. หมวดทางหลวงบ้านไร่: ดูแลพื้นที่ผืนป่าตะวันตกและเขตติดต่อชายแดนจังหวัดสุพรรณบุรีและกาญจนบุรี