國家大劇院的建築設計方案是由法國巴黎機場公司設計，清華大學配合的，設計師為法國著名建築師保羅?安德魯， 施工圖的國內設計單位是北京市建築設計研究院，施工總承包單位為北京城建集團、香港建設有限公司和上海建工集團聯合體，工程監理單位為北京雙圓工程監理公司。
國務院於1998年4月正式批準立項建設國家大劇院，1999年7月最終選取了法國著名建築師保羅?安德魯 的建設方案，其設計方案經過兩輪三次修改。
安德魯將他的大劇院方案形容為“湖上仙閣”。這是壹座坐落在近乎方形的大水池中的橢球體建築，在冬天水池可作為滑冰場。大劇院的主要入口在北面，與地鐵的出站口相連通，通道的玻璃頂則是水池的池底，觀眾在進入劇場前就能體驗壹下在水面下行走的奇妙感覺。
劇院內含壹個容納2500人的歌劇院、容納2000人的音樂廳、容納1200人的小劇院和壹個小型實驗劇場。歌劇院主要演出歌劇、舞劇、芭蕾舞，有觀眾席2500座。音樂廳主要演出交響樂、民族樂，有觀眾席2000座。戲劇場主要演出京劇、地方戲曲、話劇、民族歌舞，有觀眾席1200座。小劇場主要演出實驗話劇、小型戲劇，有觀眾席 500座,總座席6000多個。其它配套設施還包括：藝術展廊、表演藝術研究交流部、藝術商店、地下停車場等。國家大劇院建築四面水池環繞，造型新穎、前衛，構思獨特，整體上體現了21世紀世界標誌性建築的特點。
中國大劇院的造型完全由曲線組成，宛若水中仙閣。灰色的鈦金屬板和玻璃組成的立面與晝夜的光芒交相輝映。這兩種材料的顏色在不同的時間裏變幻莫測。玻璃幕墻如同拉開的幃幕，使建築物內部的劇場、通道和展廳依稀可見。同時，部分區域在鈦板的覆蓋保護下又顯得更為隱秘。
這壹設計從地下層開始，最底層是歌劇院的舞臺部分，最上層全部都用於停車場和技術場地。地下部分的最上層，即在湖面和花園以下是入口、道路、步行走廊和門廳。
在地面層坐落著三幢建築：歌劇院、音樂廳和劇場，它們由道路區分開，彼此以懸空走道相連，恍若在水面上的地面建築是壹個巨型殼體，它覆蓋、庇護、包圍和照亮著所有的大廳和通道。自然的貝殼造型保證了它的堅固度。盡管殼體的最大長度達218m，但厚度卻不超過3m。這壹設計既輕盈又不會對玻璃天篷有所遮蓋。
遊客和觀眾從長安街的“雨亭”以及停車場進入大劇院時會發現他們的頭頂之上是壹片淺淺的水面。它根據四季和時辰而變換色彩。在冬季，它結成半透明的冰層，點綴著溜冰愛好者留下的道道弧痕，建築物在水面中的倒影構成了大劇院的外部景觀。大劇院南部入口與北部入口“水下走廊”壹起延伸至地下6m 之處，這樣便於組織內部的技術性交通入口。
任何布景卡車都無需在外部停靠，任何大門都不會向外部顯露內部的服務區域，否則會完全破壞建築和街區的魅力。當人們沿著長安街前行時會發現，大劇院不會以自己的巨大體量對人民大會堂造成壓抑。這是兩個完全不同的建築，它們分別代表著兩個完全不同的時代 。