国家大剧院壳体外形是半个超级椭球体，其长轴长度为212.20m，短轴长度为143.64m，高度为46.285m。其内部主要布置有一个容纳2416人的戏剧厅、一个容纳2017人的音乐厅、一个容纳1040人的剧场。

国家大剧院壳体钢结构主要由148榀沿椭球面均匀垂直布置的平面桁架、11840根水平布置的环向系杆、对称布置的四块平面斜撑及顶部结构组成，总用钢量约6760t，主要钢材材质为Q345D。

平面桁架按照是否外露分为长轴桁架和短轴桁架，短轴桁架区域的屋面采用玻璃形式，为外露构件，采用厚度为60mm钢板条作为桁架的弦杆和腹杆，共46榀，总重量约为2050t；长轴桁架区域的屋面采用钛合金板形式，为隐蔽构件，其弦杆和腹杆均为H型钢截面，共102榀，总重量约为2100t。水平布置的环向系杆采用φ140～φ194等规格的钢管，通过两端的半球与平面桁架连接。平面斜撑布置在长轴区域，截面均采用H型钢截面。顶部结构由钢管环梁、箱形梁、顶部短轴桁架、顶部长轴桁架、连系杆组成，钢管环梁的规格为φ1117.6×26，顶部短轴桁架、顶部长轴桁架、连系杆与下部结构近似，总重量约为1050吨。