民国14年（1925），国民军对西安长武间的车马大道略事整修改善，勉强通行汽车，称西长公路。

民国17年至18年（1928～1929），陕甘两省连遭大旱，华洋义赈会支拨义赈款20万元，由陕西省建设厅主持，在挪威工程师安立森指导下，以工代赈修通了长武至窑店段，并对危险坡道进行了改善，修建了少数简易桥梁。

1931年“九一八”事变后，民国21年（1932）“一·二八”淞沪战争发生后，对国民党的首府南京构成巨大威胁。于是，国民政府移驻洛阳，西安定为陪都。为打通物资供应通道，国民政府决定修建西兰公路，并且延至河西走廊直抵新疆中苏边境。民国23年（1934）3月，国民政府经济委员会决定重修西兰公路，华洋义赈会代表塔德总工程师将该路工程正式移交，经委会两次拨款80万元，于3月21日在西安成立西兰公路工务所，刘如松任总工程师，经过测设，按丙等国道标准，对全线进行改建，6月23日动工，翌年5月1日土路通车。当年经委会公路处拨款174万元续做尾留工程。

民国26年（1937），抗日战争爆发后，西兰公路成为连接兰（州）新（疆）公路和运送苏联援华军用物资的重要运输路线。当年9月开始，由西兰、西汉两路工程处第一总段铺筑三桥至乾县泥结碎石路面，宽3米，厚15厘米，长80.8公里。用款13.92万元。乾县至窑店间亦择要铺筑泥结碎石路面，宽5米，厚12厘米至15厘米，长24.252公里。实支13万元。同时拨款42.92万元，由西北公路局负责修建其它改善工程，主要有：西安飞机场附近、沣河桥西、咸阳北关及渭河铁路桥东、西两端，乾县城东、蒿店、水濂洞、姜阳渠、大佛寺、寨子河等10多处路基改线和加高工程；长武附近的石拱桥（1孔跨径3.5米）和木架桥各1座，水濂洞附近石台木面桥1座（3孔跨径5米，全长15米）；醴泉河、寨子河、安化河、亭口河等处过水路面；大佛寺护岸、永寿附近护墙等工程。

民国29年（1940）2月至11月，对路基过窄、过低、弯道半径过小、纵坡过大的路段继续进行改善。计改线132.49公里，整修路基54.49公里，加高加宽约3公里，铺筑碎石路面171.5公里（包括对30多公里已铺路面的路段加铺厚12厘米的碎石）。在西安西门外用陶粒、块石、条石、青砖、卵石等20种不同的材料，铺筑试验路面4公里。其中4段水泥稳定土试验路面，经过1个月行车检验，时速可达50公里以上，后在咸阳西试铺水泥3%者2公里，4%者4公里。新建砖拱桥3座，涵管47道。全部工程用款208.69万元。

民国31年（1942），先后两次拨款，以60万元重铺永寿红胶土路段路面，50万元改建沣河桥面。

经过多年改善，至民国33年（1944），西兰公路仍未达到设计技术标准。

民国35年至36年（1946～1947），用款4.81亿元改善路基，完成土方2.8万立方米，改建补修桥梁12座，涵10道。

民国37年（1948），拨金圆券4.97万元，新建桥梁304米，整修桥梁198米。

1949年马步芳军队沿西兰公路西逃时，炸毁老永寿梁、大佛寺、亭口坡、冉店等多处桥梁，挖断路基。同年5月20日西安解放后，西兰公路由陕西公路局接管，及时抢修通车。

1955年至1957年，投资69万多元，摘要修建桥梁4座、109.62米，防护工程296.57米。

50年代末，因筹建彬县大佛寺水库，路线改由老永寿绕麟游县崔木镇至甘肃灵台独店后再折向长武五里铺衔接老路，全长112.8公里，其中陕境62.8公里，由泾河工程局投资，陕西省公路工程局施工，1959年11月25日开工，1960年11月10日竣工，后因水库中途下马，甘肃境内未建成，车辆仍走老路。

1958年，全省首次在咸阳至沣河桥间试铺沥青路面1.9公里。1960年8月，在咸阳沣河桥至渭河桥间铺筑全省第一段沥青路面。1963年，由咸阳公路总段在12公里至17公里间进行多蜡重油表面处治试验，分为沥青罩面砖块路面试验；煤与石油沥青混合使用表面处治；简易表面处治；煤料表面处治；砂砾级配薄层路面等5项。共投资6.89万元。至1971年，全线实现了黑色化。1980年，省公路局会同西安公路研究所在西安三桥以西15公里至17公里处修2公里试验路面。纵坡、路面按照一级公路技术标准，路幅采用“几”字型三块板，半强制性分线行驶，中间车道9米，两侧各宽4米。初建后，经观测，汽车时速提高13%至15%，后因管理工作未能跟上，非机动车占用机动车路线，试验路段被拆除。

1976年至1978年，由养路费投资对咸阳至乾陵段60.5公里按二级公路进行改建，改建中利用旧路加宽34．52公里，裁弯降坡7公里，改线19公里。工程由各县成立指挥部，组织群众施工。

1984年8月至1990年，对乾陵至永寿段19公里和长武县城段5公里按二级公路标准改建，累计投资1080．85万元。为保护大佛寺古迹，1989年4月开始对经过大佛寺路段2．93公里进行了改线。

至1990年底，西兰公路陕西段国道入网里程183.06公里，其中，二级公路105.94公里，余为三级公路。全线日平均交通量达1000辆以上，其中西安至咸阳段达5000多辆次。20世纪八十年代，国家建设祖国南北、东西大动脉。西兰公路并入312国道。312国道（或“国道312线”、“G312线”）是中国的一条国道，起点为上海，终点为新疆霍尔斯口岸，全程4967千米。这条国道经过上海、江苏、安徽、河南、湖北、陕西、甘肃、宁夏和新疆8个省市自治区。

解放前，西兰公路是唯一一条贯通西安——兰州的公路。西兰公路兰州修建公路之始，对于西北地区的交通发展有着里程碑的意义。抗日战争爆发后，西兰公路成为连接兰（州）新（疆）公路和运送苏联援华军用物资的重要运输路线。在后来的抗日战争中，西兰公路作为西北国际补给运输干线，发挥了很大的作用。西兰公路不仅在宝鸡以西抗战后方，是将四川中部公路中枢轴线与苏联边境口岸接通的关键路段，而且由西安还可把苏援物资经河南南阳分别运至武汉与鄂西战场。西兰公路与当时的甘新公路（从兰州经新疆迪化直达中苏边境）联运，是抗战时军需补给的生命线。1935年8月初，中央派红二十五军从鄂豫陕苏区出发长征，向陕北转移，以配合中央红军北上。8月14日，红二十五军3000多人由军长程子华、政委吴焕先、副军长徐海东等率领，经甘肃省两当、天水、秦安、通渭、静宁等县，到达静宁县城附近的小山村、八里铺一线，并截断陕甘两省交通大动脉——西兰公路，有力地支持了中央红军。

著名作家茅盾在《青年文艺》1942年11月号发表《风雪华家岭》一文中对当时的西兰公路的描述：“在一九三八年还是有名的‘稀烂公路’。这一条七百公里的汽车路，说一句公道话，实在不错。这是西北公路局的‘德政’。这叫做‘西兰公路’。在这条公路上，每天通过无数的客车、货车、军车，还有更多的胶皮轮的骡马大车。旧式的木轮大车，不许在公路上行走，到处有布告，这是为保护路面。”

1942年5月，蒋经国考察西北，撰写了一篇长文，叫做《伟大的西北》。其中《在西兰公路上》一章中对西兰公路沿途所见所闻有详细记述。他在文中写道：“从长武到平凉的公路，非常的阔。这一条路，就是左宗棠造的，最阔的地方有五十公尺，沿路都是很粗大的杨柳。左宗棠从西安经兰州一直到新疆，开辟了一条三千多里的大路，两旁遍植杨柳，人行其间，只有感觉到伟大、伟大与伟大。”