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。

本项目由国家大剧院主体建筑及南北两侧的水下长廊、地下停车场、人工湖、绿地组成，总占地面积 11.893 万平方米本项目分为国家大剧院工程和天安门广场西侧环境改造及地下停车场工程两部分，其中，国家大剧院总建筑面积 149520 平方米，总投资 268838 万元，由中央财政专项安排；天安门广场西侧环境改造及地下停车场建筑面积 44678 平方米，总投资 25438 万元，其中 60% 即 1.52 亿为工程资本金，由国家计委和北京市政府各承担一半，即 7630 万元；其余 40% 由国家大剧院工程业主委员会贷款解决。另外，北京市承担工程前期费用 8.9 亿元，用于大市政配套和拆迁以及人民大会堂锅炉房、洗衣房的迁建。

国家大剧院工程于 2001 年 12 月 13 日开工，2006年底基本建成， 2007 年中旬正式对外演出。