Nelle tratte in cui la nuova carreggiata Sud (direzione Roma) si presenta in variante rispetto al tracciato esistente, è previsto l'inserimento di due importanti opere sotterranee scavate in naturale: la galleria "Melarancio" (L=1096 m) e la galleria "Pozzolatico" (L=2420 m). Per queste opere, oltre all'adeguamento in termini dimensionali della piattaforma stradale, sono stati privilegiati gli aspetti legati alla sicurezza degli utenti in caso di emergenza attraverso la predisposizione di dotazioni specifiche, anche strutturali, tra cui la presenza al di sotto del piano stradale un cunicolo pedonale di fuga.

Contestualmente all'aumento della capacità della sede autostradale, il progetto di potenziamento prevede numerose opere di connessione e di scambio con le infrastrutture e i servizi presenti sul territorio. In particolare si evidenzia il nuovo collegamento diretto fra la svincolo di Certosa e la superstrada per Siena, che presenta un tracciato articolato in tre gallerie naturali: la galleria "Le Romite" (L=264 m), la galleria "Poggio Secco" (L=1231 m) e la galleria "Del Colle" (L=667 m).

Inoltre, per migliorare l'integrazione dell'opera nel territorio e mitigare l'impatto ambientale che inevitabilmente il suo esercizio produce, il progetto individua tutte quelle soluzioni progettuali e tecnologiche atte a migliorare la qualità ambientale delle aree limitrofe al tracciato autostradale, non solo riducendo gli attuali livelli di inquinamento, ma realizzando anche opere aggiuntive, come i parcheggi scambiatori, che concorrono ad uno sviluppo più funzionale della mobilità, agevolando il potenziamento del trasporto collettivo, nonché interventi di razionalizzazione della viabilità locale.