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、剧场和公共大厅及配套用房组成。在地面层坐落着三幢建筑：歌剧院、音乐厅和剧场，它们由道路区分开，彼此以悬空走道相连，恍若在水面上的地面建筑是一个巨型壳体，覆盖、庇护、包围和照亮着所有的大厅和通道。建筑物在水面中的倒影构成了大剧院的外部景观。

国家大剧院主体建筑外环绕人工湖，人工湖四周为大片绿地组成的文化休闲广场。人工湖面积达35500平方米，人工湖水深为40厘米，3.5万平方米整个水池分为22格，分格设计既便于检修，又能够节约用水，还有利于安全。每一格相对独立，但外观上保持了整体一致性。为了保证水池里的水“冬天不结冰，夏天不长藻”采用了一套称作“中央液态冷热源环境系统控制”的水循环系统。 　　

国家大剧院结构由三个功能区组成。北入口、地下车库；功能区包括歌剧院、戏剧院、音乐厅等；南入口、餐厅、机房等服务区。 

大剧院南部入口与北部入口“水下走廊”一起延伸至地下6m之处，观众通过水下长廊进入大剧院。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。观众进入大剧院时会发现他们的头顶之上是一片浅浅的水面。在入口处设有售票厅，水下长廊的两边设有艺术展示、艺术品商店等服务场所。国家大剧院北入口与北京地铁1号线天安门西站相连，国家大剧院南门比邻地铁二号线和平门站，并有能容纳1000辆机动车和1500辆自行车的地下停车场。根据安德鲁的设计大剧院从长安街后退了70米，空出70米全部变成绿地。

国家大剧院内有四个剧场，中间为歌剧院、东侧为音乐厅、西侧为戏剧场，南门西侧是小剧场，四个剧场既完全独立又可通过空中走廊相互连通。公共大厅的地板铺着20多种颜色不一、花纹各异的名贵石材，公共大厅天花板由名贵木材拼贴成一片片“桅帆”，木质的红色深浅不一，明暗相间。来自法国的著名画家阿兰·博尼用超过20种不同的红色点染大剧院的各个部分。整个大剧院的墙面丝绸铺设面积达到4000平方米。

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；小剧场观众座位556席，上演室内乐、小型独奏独唱、小剧场话剧、现代舞等。

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。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。

大剧院共有五个排练厅，位于四个剧场之间，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。