国家体育场钢结构工程由24榀门式刚架围绕着体育场内部混凝土碗状看台区旋转而成，其中22榀拉通或基本拉通。大跨度钢结构大量采用由钢板焊接而成的箱形构件，交叉布置的主结构与屋面、立面的次结构一起编织成“鸟巢”的造型。所有钢结构构件形成结构及建筑外形。
钢结构屋面呈双曲面马鞍型，最高点高度为68.5m，最低点高度为40.1m；平面上呈椭圆形，长轴为332.3m、短轴为297.3；屋盖中部的开口内环呈椭圆型，长轴为185.3m，短轴为127.5m；大跨度屋盖支撑在24根桁架柱之上，柱距为38.0m。
屋顶主结构均为箱型截面，上弦杆截面基本为1000mm×1000mm，下弦杆截面基本为800mm×800mm，腹杆截面基本为600mm×600mm，腹杆与上下弦杆相贯，屋顶桁架矢高12.0m。竖向由24根组合钢结构柱支撑，每根组合钢结构柱由两根1200mm×1200mm箱型外柱和一根菱形内柱组成，每个桁架柱下设有一个T型钢柱脚，荷载通过它传递至基础。立面次结构截面基本为1200mm×1000mm，顶面次结构截面基本为1000mm×1000mm。
设计总用钢量约42000吨。钢板的最大厚度110mm。当钢板厚度≤34mm时，采用Q345钢材；当钢板厚度≥36mm时，采用Q345GJ钢材；当钢板厚度为100mm时，采用Q345GJ和Q460钢材；当板厚为110mm时，采用Q460钢材。具体板厚分布情况如图1-2所示。另外，桁架柱内柱由菱形截面向矩形截面转换处采用GS-20Mn5V级铸钢件（C19桁架柱除外），铸钢件最厚达140mm。