La construcción de una carretera que comunicara la Corte con Aragón y Cataluña, para pasar después a Francia por La Junquera, fue expresamente contemplada durante el reinado de los primeros Borbones. Constituía ya la ruta uno de los principales itinerarios seguidos por la posta, y el Real Decreto de 10 de junio de 1761 se refirió explícitamente al Camino  Real de Cataluña. Fue, pues, durante el reinado de Carlos III cuando se realizaron los primeros reconocimientos y proyectos para la construcción de la carretera. Las obras se centraron, inicialmente, en las inmediaciones de Zaragoza y en el tramo comprendido entre Barcelona y el puente sobre el Llobregat. Iniciándose el siglo XIX, y por lo que respecta a la primera parte del trazado, únicamente se habían construido algunas leguas entre Madrid y Guadalajara. 

Las obras del tramo, que exigieron resolver el paso por el desfiladero de las Gargantas del Jalón, se acometieron tardíamente y no se dieron por concluidas hasta la década de los años cincuenta. Los pasos por las poblaciones se resolvieron mediante trazados perimetrales o próximos a los núcleos, no existiendo, hasta que algunos de los tejidos crecieron  hacia la carretera (es el caso de Esteras de Medinaceli o Arcos de Jalón), ninguna travesía. 

El Plan General de Carreteras de 1860 incluyó la de Madrid a La Junquera por Zaragoza y Barcelona entre las de primer orden. En los mismos años, y por lo que respecta al tramo, la construcción de la línea ferroviaria de Madrid a Zaragoza obligó a disponer hasta nueve pasos a nivel entre las inmediaciones de Lodares y Arcos de Jalón. No habiendo sufrido otras alteraciones de entidad a lo largo de la segunda mitad del siglo XIX, las primeras transformaciones de la sección transversal, consistentes en la introducción de peraltes y la extensión de un riego superficial, se produjeron tras su inclusión en el conjunto de itinerarios del Circuito Nacional de Firmes Especiales en 1926.

Finalizada la Guerra Civil, y tras el cambio en el sistema de nomenclatura de la red dispuesto en el Plan de Caminos 1939/1941, la carretera pasó a denominarse Nacional II. Algunos de los proyectos planteados con anterioridad se retomaron tras la contienda, e iniciándose la década de los años cuarenta empezaron a eliminarse, mediante rectificaciones de  trazado o nuevas estructuras, los pasos a nivel existentes.

A partir de la década de los años cincuenta el tramo fue objeto de progresivas mejoras en el marco de las obras del Plan de Modernización y el programa REDIA. La sección transversal quedó entonces configurada por dos calzadas de 3,5 m, dos arcenes de hasta 2,5 m, que tuvieron que reducirse hasta 1 m en las zonas de topografía más desfavorable, y carriles de aceleración en las partes del tramo de mayor pendiente. 

Las mejoras de trazado se tradujeron en la construcción de un túnel, dos pasos superiores y pequeños tramos de nuevo trazado. En tres de los pasos inferiores se aprovecharon los vanos contiguos, correspondientes al paso del río, para encauzarlos y duplicar la calzada con objeto de mejorar la sección transversal de la carretera. 

Ya en la década de los años ochenta, la sección de la N-II comprendida entre las proximidades de Guadalajara y Zaragoza quedó incluida en el Programa de Autovías del Plan General de Carreteras 1984/91. Por lo que respecta al tramo, la A-2 se construyó mediante duplicación de calzadas entre el pk 141+500 y 145+100, y de nuevo trazado entre los pk 145+100 y 169+700. Así, una pequeña parte del tramo corresponde a una de las calzadas de la autovía, y el resto sigue funcionando como carretera convencional y mantiene la sección REDIA.