國家大劇院由法國建築師保羅·安德魯設計，巴黎機場公司負責設計。國家大劇院屋頂呈半橢圓形，表面覆蓋著色彩柔和、富有光澤的鈦金屬，前後兩側有兩塊三角形玻璃幕墻。整個建築漂浮在人工水面上，行人需要從壹條80米長的水下通道進入表演大廳。大劇院是傳統與現代、浪漫與現實的結合。國家大劇院巨大的橢圓形外形看起來就像長安街上的壹個“悄悄話”，與周圍環境的沖突使其非常醒目。這個“城市中的劇院，劇院中的城市”的規劃以壹種超乎想象的“湖中明珠”的奇特姿態出現，獻給新世紀。
國家大劇院的主體建築由外部圍護結構和內部歌劇院、音樂廳、劇院、公共大廳及配套用房組成。底層有三個建築:歌劇院、音樂廳和劇院，由道路隔開，由懸空走道相互連接。仿佛水面上的地面建築是壹個巨大的外殼，覆蓋、遮蔽、包圍、照亮所有的大廳和通道。建築物在水中的倒影構成了大劇院的外部景觀。
國家大劇院主體建築被壹個人工湖環繞，周圍是由大片綠地組成的文化休閑廣場。人工湖占地35500平方米，人工湖水深40厘米，35000平方米的全池分為22個隔間。隔間設計不僅方便維修，還節約用水，有利於安全。每個網格相對獨立，但在外觀上保持了整體的壹致性。為了保證池中的水“冬天不結冰，夏天不生藻類”，采用了壹套名為“中央液體冷熱源環境系統控制”的水循環系統。
國家大劇院的結構由三個功能區組成。北入口和地下車庫；功能區包括歌劇院、劇院、音樂廳等。南入口、餐廳、機房等服務區。
大劇院南入口和北入口“水下走廊”延伸至地下6米，觀眾通過水下走廊進入大劇院。北側的正門是壹條80米長的水下走廊。南入口和其他通道也位於水下。當觀眾進入大劇院時，他們會發現頭頂上有壹片淺水區。入口處設有售票處，水下走廊兩側設有藝術展、藝術商店等服務場所。國家大劇院北入口與北京地鐵1號線天安門西站相連，地下停車場可容納1000輛機動車和1500輛自行車。按照安德魯的設計，大劇院從長安街後撤70米，留下70米的空地，全部變成綠地。
國家表演藝術中心有三個劇院，中間是歌劇院，東邊是音樂廳，西邊是劇院。三個戰區完全獨立，可以通過空中走廊相互連接。公共大廳的地板上覆蓋著20多種不同顏色和圖案的寶石。公共大廳的天花板由珍貴的木材制成，並修補成壹塊塊“桅桿帆”，紅色深淺不壹，明暗交替。來自法國的著名畫家阿蘭·博尼(Alain Boni)用20多種不同的紅點染了大劇院的各個部位。整個大劇院的墻面鋪絲面積達到4000平方米。
歌劇院主要演出歌劇、芭蕾、芭蕾，觀眾2416席。音樂廳主要演出交響樂、民樂、音樂會，觀眾2017席；劇院主要演出話劇、京劇、地方戲和民族歌舞，觀眾1040席。每個劇場都有更衣室、指揮休息室、鋼琴練習室、演員等候區、更衣室、服裝熨燙室、道具室和演員休息室。舞臺技術室設有音響控制室、燈光控制室、調光設備室、音響設備室、攝像室等。歌劇院屋頂平臺設有大型休息室，音樂廳屋頂平臺設有圖書館和視聽資料廳，劇院屋頂平臺設有新聞發布廳。