大橋位于既有馬鞍山長江公路大橋上游約2.3公里處。為了落實長江大保護要求，減少橋梁建設對防洪、生態環境和長江航道的影響，大橋采用三塔兩主跨設計，兩大主跨超千米，分別跨越牛屯河邊灘和主航道。大橋上層公路為雙向六車道城市快速路，設計時速80公里。下層為兩線巢馬城際鐵路，設計時速250公里，及兩線城際鐵路標準預留鐵路，設計時速200公里。

大橋是超大規模、超大雙主跨、超高塔、超大直徑鉆孔樁等的組合體，將創下多項世界之最。 大橋單跨1120米，雙跨連續跨度2240米，為世界最大跨度三塔斜拉橋；中塔塔高345米，相當于115層樓高，為世界最高橋塔；中塔基礎采用60根直徑4米的鉆孔樁，為世界上內河最多和最大直徑鉆孔樁。承臺長89.2米、寬54.7米，其平面面積近5000平方米，相當于8個標準籃球場大小，為世界最大規模橋梁樁基礎；鋼梁全長3248米。

大橋工程規模大、科技含量高、施工環境復雜、施工難度大。大橋將應用2100兆帕級高強度鋼絲，為目前世界強度最高的鋼絲。首次應用萬噸米級鋼塔吊機等一系列新材料、新設備、新工藝、新技術攻克施工難題。

馬鞍山長江公鐵大橋是巢馬城際鐵路的控制性工程，巢馬城際鐵路是國家“八縱八橫”高鐵網滬漢蓉快速通道合肥至上海間的重要組成部分，設計時速350公里。巢馬城際鐵路作為安徽省首條省市共建的城際鐵路項目，北接商合杭高鐵，東聯蘇南沿江城際，既是馬鞍山與省會合肥的直接聯通線，又是安徽通往上海等長三角城市的高鐵新通道，對進一步完善區域高速鐵路網布局，提升通道運輸能力，促進長三角一體化發展、長江經濟帶發展戰略具有重要意義。