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。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。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。内部歌剧院主要演出歌剧、芭蕾、舞剧，有观众席2416席；音乐厅主要演出交响乐、民族乐、演唱会，有观众席2017席；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。各剧院都设有化妆间、指挥休息间、练琴房、演员候场区、换装间、服装整烫间、道具间、演员休息厅。舞台技术用房设有音响控制室、灯光控制室、调光器设备间、音响设备室、摄像机房等。 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。 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。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。