Cũng theo thời gian, cầu Thăng Long nhiều lần xuống cấp. Đến nay, cầu đã trải qua nhiều lần đại tu và hàng chục lần sửa chữa nhỏ với kinh phí cả trăm tỷ đồng. Trong lần đại tu năm 1999, đơn vị thi công đã cào bóc lớp trên và thảm phủ lớp bê tông nhựa mới. Năm 2009, mặt cầu Thăng Long được thay thế lớp phủ bằng công nghệ vật liệu SMA. Nhưng chỉ sau 2 tháng, mặt cầu lại hư hỏng và phải sửa chữa lớn vào những năm 2011-2012. Gần đây nhất, vào tháng 8/2020, dự án sửa chữa mặt cầu Thăng Long quy mô lớn được khởi công với tổng mức đầu tư gần 270 tỷ đồng, trong lần đại tu thứ 3, cầu Thăng Long được bóc sạch lớp bê tông, lớp keo dính... để phủ lại bề mặt bằng công nghệ mới.