In Hessen führten die Untersuchungen, bei denen auch Ingenieurbüros mit tätig waren, zu dem Ergebnis, daß die alte Linienführung im wesentlichen beibehalten werden konnte. Wegen der heute anzuwendenen Trassierungselemente wurden allerdings erhebliche Gradientenänderungen erforderlich. Für die Beibehaltung der alten Linie war ausschlaggebend, daß die Erdarbeiten für die Vorkriegstrasse auf ca. 10 km Länge sowie 15 Unterführungsbauwerke ausgeführt waren. In den ausgedehnten Staatsforsten und Privatwaldungen waren die Schneisen geholzt und auch die Mutterboden abgeschoben. In 7 betroffenen Gemarkungen hatten abgeschlossene Flurbereinigungsverfahren die für die Autobahn seinerzeit benötigte Fläche bereits ausgewiesen. Jede Abweichung von der alten Trasse stieß auf den zähen Widerstand der Anlieger.
Der Anschluß der Rhönautobahn an die bestehende Bundesautobahn Hamburg - Frankfurt - Basel (HAFRABA) bei Hattenbach ist durch die Geländeverhältnisse und das Autobahndreieck Kirchheim (Abzweigung der Autobahn nach Eisenach) bestimmt. Vor dem Kriege war eine Trompetenlösung geplant und im Erdbau fertiggestellt worden. Damit dieser Anschluß besser den Erfordernissen des heutigen Verkehrs genügt, wurde er zu einem Autobahndreieck umgebaut.
Ein weiterer Gesichtspunkt für die Beibehaltung der Linienführung der BAB ergab sich aus dem Anschluß der Stadt Fulda, die östlich umgangen werden sollte. Die Anschlußstellen Fulda-Nord und Fulda-Süd wurden so angeordnet, daß sie nicht nur dem Anschluß der Stadt Fulda an die Autobahn dienen, sondern auch die Stadt weitgehend vom Durchgangsverkehr auf den Bundesstraßen 27 und 40 entlasten.
Die weitere Linienführung der BAB wurde von der Planung eines Stausees in den Gemarkungen Rothemann und Döllbach beeinflußt. Nachdem ursprünglich das Döllbachtal zwischen diesen Orten überquert werden sollte, verläuft die Trasse nunmehr südlich vom Ort Döllbach und führt von dort aus an einem bewaldeten Höhenrücken entlang zum Übergang über die Rhön östlich von Brückenau.
In Bayern hatten die Untersuchungen über die Weiterverwendung der Vorkriegstrasse ein negatives Ergebnis. Die seinerzeit als zulässig erachteten Steigungen bis zu 6,25 % ließen sich nicht auf die nach den Grundsätzen der modernen Trassierung einzuahltende Maximallängsneigung von 4 % umändern. Eine neue Linienführung wäre schon aus diesem Grunde nicht zu vermeiden gewesen. Außerdem entsprach die Vorkriegstrasse nicht der neuen Verkehrsaufgabe, denn sie verlief fern der Zonengrenze und erschloß nicht die nordbayerischen Industriegebiete. Aus diesen Gründen entschied sich der Bundesverkehrsminister für eine weiter östlich verlaufende Linie, die Schweinfurt günstiger anbindet und entsprechend der erwarteten Verkehrstendenz nicht westlich, sondern östlich von Würzburg an die BAB Frankfurt - Nürnberg anschließt.
Für diesen Anschluß kam nach den Gegebenheiten des Geländes im Maindreieck nur das Plateau bei Biebelried in Frage. Das sog. Biebelrieder Dreieck wurde bereits im Zuge der Bauarbeiten an der BAB Frankfurt - Nürnberg mitgebaut. Die Fortsetzung der Rhönautobahn nach Heilbronn ist wie in der Vorkriegsplanung westlich von Würzburg vorgesehen, so daß der dorthin zielende Verkehr so lange ein Stück der Ost-West-BAB benutzen muß, bis die ebenfalls vorgesehene Westumgehung von Würzburg gebaut ist.
Die Linienführung des bayerischen Teils der Rhönautobahn wurde weitgehend durch das Geländerelief sowie das ausgedehnte Schutzgebiet der Heilquellen von Bad und Stadt Brückenau und das Gelände des Truppenübungsplatzes Wildflecken bestimmt. Außerdem ist hier noch der Einfluß der alten Linie zu erkennen, von der die neue Linie etwa nördlich der Landesgrenze abzweigt. Durch die Umtrassierung im Bereich des Talüberganges über die Kleine Sinn ergab sich später die größte Talbrücke der ganzen Strecke, die Grenzwaldbrücke. Besondere Schwierigkeiten machte der Übergang über die Fränkische Saale. In ihrem weiteren Verlauf zeigt die Linie deutlich die beabsichtigte Annäherung an die Stadt Schweinfurt, die sie in der Höhe von Werneck am nächsten kommt. Von hier aus sollte die Linie ursprünglich zügig dem Biebelrieder Dreieck zustreben. Doch mußte der Plan wegen des Widerstandes der in ihren hochwertigen Böden betroffenen Landwirtschaft des Schweinfurter Gaues aufgegeben werden. Im weiteren Verlauf wurde die Linie daher an den Rand des Gramschatzer Waldes verlegt.