1996年，京滬高速公路臨沂段破土動工，拉開了臨沂高速公路建設序幕。臨沂公路人發揚攻堅克難、甘於奉獻的新時代沂蒙精神和不怕苦、不怕累的“鋪路石”精神，三年大幹，1999年9月，全長137.18公里的京滬高速公路化馬灣至臨沂段建成通車，結束了臨沂沒有高速公路的歷史。2000年11月，全長83.738公里的京滬高速公路臨沂至紅花埠段建成通車，標誌著京滬高速公路臨沂段的全線貫通。
這條高速的建成通車，從根本上改變了臨沂的公路交通狀況，大大地縮短了臨沂與京、津和滬、寧等發達城市的時空距離，對完善構築臨沂、京、滬快速經濟旅遊圈起到了重要作用。隨後的十幾年裡投資逐年加大，建設速度逐年加快，隨著通車裡程的增加，“兩縱三橫”高速公路交通大格局和市區“井”字形高速公路大框架日趨成型。由高速公路構建的運輸骨架和網絡，充分發揮著貫通南北、橫聯東西的運輸紐帶作用，為臨沂的經濟社會發展提供了堅強有力的公路交通支撐。
近年來，隨著經濟社會的快速發展，京滬高速臨沂段交通量增長迅速，呈現出先期建設的高速公路運輸能力緊張，服務水平嚴重下降，其規模能力與其承擔的交通運輸任務和在路網中的作用不相匹配等突出問題，已不能適應經濟社會和城鄉建設持續發展的需求，謀劃對京滬高速臨沂段進行改擴建已勢在必行。
2016年報經交通部批准，由齊魯交通發展集團對京滬高速公路臨沂段實施改擴建。2017年年初，臨沂市政府公佈了全市重點建設項目清單，其中京滬改擴建項目是重中之重，涉及重大基礎設施改造提升，涉及國家高速路網優化，涉及民心工程。2017年9月，臨沂市政府與齊魯交通發展集團簽署了戰略合作協議。
該工程起自蒙陰縣與新泰市交界處K540+580，經蒙陰縣、沂南縣、蘭山區、高新區、羅莊區、蘭陵縣、郯城縣7個縣區，止於郯城縣紅花埠南（魯蘇界）K710+000，接已建京滬高速公路江蘇新沂至淮安段，全長169.16公里，概算投資約167億元。
改擴建工程全線採用雙向八車道高速公路標準改擴建，設計速度120公里/小時。整體式路基拓寬至42米，新建一幅的分離式路基寬度20.75米、利用現有公路作為另外一幅。同步建設蒙陰西互通立交連接線5.287公里，郯城南互通立交連接線2.512公里。2017年12月開工建設，項目計劃於2021年6月交工驗收，計劃工期42個月。
擴建後的京滬高速公路將實現雙向八車道，通行速度120公里/小時，極大提高京滬高速公路的通行能力和服務能力，對於保暢通、保安全，減少交通事故的發生等具有積極的作用。同時也將促進區域旅遊業發展和旅遊資源的開發，對打造魯南蘇北立體交通樞紐，鞏固物流城市建設具有重要意義。
在徵地拆遷方面，此次改擴建涉及7個縣區，23個鄉鎮，212個村。目前，蘭山區地上附著物補償、遷移工作已經全部完成，其他縣區的徵地拆遷工作正在有序推進，大部分補償款已到位。
今年，京滬高速公路新泰至臨沂段改擴建工程計劃完成投資28.53億元，其中建安費18.3637億元，徵遷費9.7055億元，其他費用4608萬元;路基工程累計完成全部工作量的30%，涵洞、通道工程累計完成50%;橋樑樁基累計完成60%，下部結構累計完成30%，上部結構累計完成30%;房建工程累計完成40%。
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