国家大剧院主体建筑由外部围护结构和内部歌剧院、音乐厅、戏剧场和公共大厅及配套用房组成。外部围护结构为钢结构壳体，呈半椭球形，其东西长轴为212.20米，南北短轴为143.64 米，建筑总高度为46.285 米，地下最深处为-32.50米。椭球形屋面主要采用钛金属板，中部为渐开式玻璃幕墙。主体建筑外环绕人工湖，湖面面积达35500平方米，北侧主入口为80米长的水下长廊，南侧入口和其它通道也均设在水下。
    人工湖四周为大片绿地组成的文化休闲广场。国家大剧院北入口与地铁天安门西站相连，并有能容纳1000辆机动车和1500辆自行车的地下停车场。在入口处设有售票厅，观众通过水下长廊进入大剧院。水下长廊的两边设有艺术展示、商店等服务场所。
 
    国家大剧院内有三个剧场，中间为歌剧院、东侧为音乐厅、西侧为戏剧场，三个剧场既完全独立又可通过空中走廊相互连通。

    歌剧院主要演出歌剧、芭蕾、舞剧，有观众席2416席，在歌剧院的屋顶平台设有大休息厅，在音乐厅的屋顶平台设有图书和音像资料厅，在戏剧场屋顶平台设有新闻发布厅。墙面采用金色金属网装修，显示出歌剧院辉煌、华丽而现代的气势。
                            
    舞台采用“品”字形舞台形式，有主舞台、左、右侧台和后舞台。舞台具备升、降、推、拉、转五大功能，其中，主舞台又分为8个升降台，既可整体升降又可分别单独升降。
    观众厅的建筑声学设计可以满足自然声演出要求，中频混响时间为1.5秒。
    观众厅设有池座一层和楼座三层，其中第二层楼座中部为贵宾席。
    歌剧院设有6个单人化妆套间，6个单、双人化妆间，18个中化妆间，2个乐队指挥休息套间，6个乐队用大化妆间，8间练习琴房。
    歌剧院台下机械：主舞台表演区由6块双层主升降台、2块辅助升降台组成，具有倾斜功能，主升降台还配有演员升降小车6台；主升降台两侧各有6块微动台，左、右侧台各设6块车台，车台下设有补偿台；后舞台设内外旋转台，软景库升降台，后舞台下设芭蕾舞台板；舞台前设乐池升降台。
    歌剧院台上机械：配有1道台口防火幕，2道主、侧台防火隔音幕，活动假台口，68道电动吊杆，13道6吊点轨道式单吊点机，1道飞行器，主台内24台自由单点吊机，5道灯光桥，5道灯光吊架；台口外8台自由单点吊机。
                        
     音乐厅主要演出交响乐、民族乐、演唱会，有观众席2017席，装点白色浮雕板墙面和整体浮雕顶棚，深色木质演奏台。在演奏台的上方装有一架大型管风琴，创造出音乐厅宁静、温馨而高雅的氛围。 
                          
    演奏台设在观众厅一侧，演奏台宽24米、深15米、能容120人的乐队演奏。演奏台设有3个升降台，在演奏台前部设有钢琴升降台。在演奏台后设有可供180人合唱队使用的观众席合唱区。
    观众厅设有池座一层和楼座二层；其中，池座中前部为贵宾席。  
    音乐厅设有2个乐队指挥休息套间，2个单人化妆套间，4个单人化妆间，6个中化妆间，7个乐队、合唱队用大化妆间，10间练习琴房和1间管风琴练习琴房。
    合唱区后设有大型管风琴。混响时间为2.2秒。                  
    音乐厅台下机械：演奏台设有3块升降台，演奏台前部设钢琴升降台。
    音乐厅台上机械：配有集中声反射板吊机， 62道单、双点吊机，可吊挂灯光架、音箱等设备。 
    戏剧场主要演出话剧、京剧、地方戏曲、民族歌舞，有观众席1040席，装饰紫红色丝绒墙面和黑色斜纹金属条，体现出戏剧场亲切、热烈而传统的气氛。
                          
    舞台采用由镜框式舞台到伸缩式舞台的可变化形式。有主舞台、左右辅台、后舞台。舞台具备升、降、推、拉、转五大功能，其中，主舞台又分为2个升降台和13个升降块，既可整体升降又可分别单独升降。
    观众厅的建筑学设计可以满足自然声演出要求，中频混响时间为1.2秒。
    观众厅设有池座一层和楼座三层；其中，第二层楼座中部为贵宾席。
    戏剧场设有5个单人化妆套间，8个中化妆间和3个大化妆间，一个乐队指挥休息套间， 3 个乐队用大化妆间，还设有4间练习琴房。                             
    戏剧场台下机械：主舞台表演区为鼓筒式转台，转台内设2块双层升降台和13块双层升降块，升降台还配有演员升降小车2台；后舞台设有软景库升降台。舞台前设乐池升降台和台唇升降台。
    戏剧场台上机械：配有1道台口防火幕，活动假台口，46道电动吊杆，2道天幕吊杆，6道6吊点轨道式单吊点机，4道灯光吊杆，2道左右灯光吊架；伸出台（台口前）上配有2道灯光吊杆，13台单点吊机和活动天棚。                               
    国家大剧院共有五个排练厅，位于三个剧场之间，可以共用也可以分别使用。一个大排练厅主要用于合成排练；两个中排练厅一个主要用于舞蹈排练，一个用于乐队排练；两个小排练厅主要用于分部排练。 
    国家大剧院设有集中音像制作中心，有大录音棚一间、同期录音演播室一间，以及电视转播机房和音像后期制作室。国家大剧院设有一间大绘景间，设置布景吊挂和绘景设备，还设有布景、道具整修间和布景仓库，以及为集装箱运输用的升降平台2台。