Die Köhlbrandbrücke wurde im September 1974 nach vierjähriger Bauzeit als damals höchste Brücke Deutschlands eröffnet. Die Baukosten beliefen sich auf rund 113 Millionen Mark. Mit der Brücke wurde erstmals eine direkte Straßenverbindung zwischen dem westlichen und dem östlichen Teil des Hafens geschaffen. Zwischen 1912 und der Fertigstellung der Brücke verband lediglich eine Fährverbindung die Ufer des Köhlbrands. Um den Tidenhub ausgleichen zu können, verfügten die Fähren über ein in der Höhe verstellbares Hebedeck, das sowohl Kraftfahrzeugen als auch Eisenbahnwaggons Platz bot. Mit den Fährschiffen konnten pro Tag maximal 7.000 Fahrzeuge den Köhlbrand queren. Zu den Verkehrsspitzen kam es daher regelmäßig zu langen Wartezeiten. Vor dem Hintergrund der wachsenden Hafenindustrie musste eine neue Lösung geschaffen werden, die schließlich im Jahr 1974 mit der Köhlbrandbrücke realisiert werden konnte. Für das damals mit 930.000 Fahrzeugen berechnete monatliche Verkehrsaufkommen (31.000 Fahrzeuge täglich) hätte die Fähre rund fünf Monate benötigt.
Für den Bau der Köhlbrandbrücke wurden 81.000 Kubikmeter Beton und 12.700 Tonnen Stahl verwendet. Die Brücke besteht aus insgesamt 75 Pfeilern, die wiederum auf 1.700 Pfählen gegründet wurden. Zwei 130 Meter hohe Pylone und 88 Tragseile tragen den 520 Meter langen Mittelteil der Brücke, die so genannte Strombrücke. Die Tragseile haben einen Durchmesser zwischen 54 und 104 Millimeter. Am stärksten Seil allein hängt ein Gewicht von 450 Tonnen. Die Gesamtlänge der Brücke beträgt 3.940 Meter. Die für die Durchfahrt der Schiffe relevante lichte Höhe zwischen Brücke und Wasseroberfläche beträgt 53 Meter bei mittlerem Tidehochwasser.
Die Köhlbrandbrücke ist ein Herzstück des Straßennetzes der Stadt und des Hafens. An einem durchschnittlichen Werktag wird die Köhlbrandbrücke von ca. 38.000 Kfz befahren, darunter ca. 12.000 LKW. Das Verkehrsaufkommen liegt damit deutlich höher als beim Bau in den 1970er Jahren prognostiziert. Die Köhlbrandbrücke verbindet die Stadt und den Hafen und erfüllt dadurch u. a. für viele Beschäftigte, die in Hamburg wohnen und täglich in den Hafen pendeln, eine besonders wichtige Funktion. Zudem schließt die Brücke zahlreiche Betriebe im Zentrum des Hafens schnell und ohne emissions- und kostenintensive Umwege an die wichtige Verkehrsachse A7 an. Die Köhlbrandbrücke stellt die Hauptverbindung für die umfangreichen kleinräumigen internen Hafenverkehre dar. Diese können über die Brücke innerhalb des Hafengebietes abgewickelt werden, wodurch die Lärm- und Emissionsbelastung für die Bevölkerung in den umliegenden Stadtteilen gering bleibt. Für Fußgänger, Rad- und Mofafahrer ist die Köhlbrandbrücke gesperrt. Ausnahmen stellen die jährlich stattfindenden Cyclassics (August), die Fahrradsternfahrt (Juni) sowie der Köhlbrandbrückenlauf (3. Oktober) dar.
Die Köhlbrandbrücke ist und bleibt ein sicheres Bauwerk. Mittlerweile ist die 1974 eingeweihte Brücke jedoch in die Jahre gekommen, und unter der steigenden Verkehrsbelastung wird sich ihr Zustand zusehends verschlechtern. Ingenieurbauwerke wie die Köhlbrandbrücke bedürfen einer regelmäßigen betrieblichen Unterhaltung und Instandsetzung. Hinzu kommen in regelmäßigen Intervallen Grundinstandsetzungen, bei denen zum Beispiel die Fahrbahnabdichtung erneuert, Brückenlager und Brückenübergänge getauscht oder der Korrosionsschutz erneuert wird. Darüber hinaus wird die Köhlbrandbrücke regelmäßig auf Grundlage der DIN 1076 (Bauwerksprüfung) überprüft. Nach Abschluss des letzten Grundinstandsetzungsprogramms im Jahr 2016 befindet sich die Brücke auf Basis dieser Sichtprüfung in einem guten bis befriedigenden Zustand. Im Jahr 2008 wurde in einer von der HPA in Auftrag gegebenen Untersuchung der Technischen Universität Hamburg-Harburg (TUHH) eine wirtschaftlich sinnvolle Unterhaltung der Brücke bei Fortführung der momentanen Grundinstandsetzungszyklen bis etwa 2030 prognostiziert. Danach wird die grundsätzliche Standsicherheit zwar noch gegeben sein, aber die Instandhaltungskosten werden überproportional steigen. Die technische und wirschaftliche Lebensdauer der Brücke ist dann erreicht, und der Bau einer neuen Querung stellt die günstigere Variante dar. Untersuchungen der Teilbauwerke der Köhlbrandbrücke (Ost- und Westrampe, Strombrücke und Breslauer Rampe) haben ergeben, dass ab dem Jahr 2030 Nutzungseinschränkungen infolge von einzelnen Verstärkungs- und Kompensationsmaßnahmen (z. B. Gewichtseinschränkungen) nicht ausgeschlossen werden können. In Anbetracht der langen Planungs- und Bauzeiten ist es unabdingbar, bereits jetzt die Weichen für den Bau der neuen Querung zu stellen.
Im Rahmen eines ständig laufenden Instandhaltungsprogramms erhält die HPA die Funktionsfähigkeit und die Sicherheit der Brücke. Kleinere Unterhaltungs- und Instandsetzungsarbeiten müssen, wie bei jeder Brücke, fortlaufend durchgeführt werden. Von 2007 bis 2016 wurde an der Brücke ein umfangreiches Grundinstandsetzungsprogramm durchgeführt. Im Zuge dessen wurde die komplette Abdichtung der Brücke erneuert. Neben Betoninstandsetzungsarbeiten wurde auch die Fahrbahn neu asphaltiert und der Korrosionsschutz am Brückengeländer erneuert. Bis 2016 wurden für diese Maßnahmen rund 60 Millionen Euro aufgewendet.
Aufgrund der steigenden Verkehrsbelastung und des Bauwerkszustands ist der Betrieb der Köhlbrandbrücke über das Jahr 2030 hinaus wirtschaftlich nicht mehr sinnvoll. Aus technischer Sicht kann eine Sanierung die Lebensdauer nicht verlängern, da das Bauwerk bereits die heutigen und auch die zukünftig prognostizierten Anforderungen hinsichtlich Verkehrsmengen und Lastannahmen nicht erfüllt.
Seit Anfang 2012 gilt auf der Köhlbrandbrücke ein Überholverbot für LKW. Gründe für die Regelung ist neben der zunehmenden Verkehrsdichte die steigende Anzahl sehr schwerer Transporte, die täglich über die Brücke fahren. Messungen der HPA haben ergeben, dass die Belastung deutlich über den bisherigen Annahmen lag. Um die Köhlbrandbrücke noch möglichst lange erhalten zu können, hat sich die HPA für dieses Überholverbot entschieden. Darüber hinaus herrscht seit Anfang 2019 im Bereich der Strombrücke (Abschnitt zwischen den Pylonen) ein Abstandsgebot von 50 Metern für alle Fahrzeuge über 3,5 Tonnen. Dadurch soll die Brücke entlastet werden.
Die maximale Durchfahrtshöhe der Köhlbrandbrücke beträgt 54,90 Meter (bezogen auf das mittlere Niedrigwasser) bzw. 51,24 Meter (bezogen auf das mittlere Hochwasser). Für einige Containerschiffe der neuesten Generation resultieren daraus Restriktionen. Großcontainerschiffe mit einer Höhe von bis zu 66 Metern über der Wasserlinie können die Köhlbrandbrücke nur passieren, indem sie ihre Antennen rechtzeitig vor der Brückenpassage umlegen und so ihre Gesamthöhe deutlich reduzieren. Auch nicht beladene Massengutschiffe haben im Einzelfall Höhen, bei denen die Passage der Köhlbrandbrücke nur durch die Aufnahme von Ballastwasser möglich ist. Für eine uneingeschränkte Schiffbarkeit des Köhlbrands ist künftig eine Durchfahrtshöhe von mindestens 72 Meter Normalhöhenull erforderlich.
