XX大剧院工程总建筑面积约为155，000m2，由中心建筑(202区)、北侧建筑(201区)和南侧建筑(203区)三部分组成。其中，中心建筑为长轴216.57m, 短轴145.57m的椭球体建筑, 内设公众大厅、歌剧院、音乐厅、戏剧院和小剧场, 球体四周水池环绕；北侧建筑为地下两层, 楼面标高分别为-7.00m和-11.50m，包括主票务大厅、停车场、入口通道等; 南侧建筑为地下三层, 楼面标高分别为-7.00m、-11.50m和-18.00m，包括南侧票务大厅、消防车辆入口、装卸货物区和其它配套用房等。
设计标高±0.00初定为绝对标高46.00m，椭球壳体顶部标高为+46.28m。建筑物最深处为歌剧院台仓，其室内地坪标高为-41.00m，中心建筑物室内地坪最底标高分别为-28.60m和-22.00m。
该工程结构分为两个单元体系，建筑外立面为椭球钢结构壳体，径向为弧形、变截面、无翼缘、6cm厚钢板焊接形成的钢结构主构架；环向横构件采用直径194mm、厚度5mm的钢管，通过特殊球节点与径向钢结构主构架连接。钢结构总重量约5,000吨，每榀钢构架平均重达40吨左右。椭球表面采用钛合金板装饰，南北侧中部安装玻璃幕墙。椭球内部主体结构采用钢筋混凝土框架剪力墙结构体系，分别在±0.00m和-7.00m设结构缝,从-7.00m以下是一个结构单元，-7.00m以上是三个结构单元。部分主要梁柱采用钢-混凝土组合结构体系, 椭球壳体底座环梁、舞台口及局部大跨度构件采用预应力钢筋混凝土结构，南北建筑结构、水池结构与中心建筑主体结构是分开的，沿着主体结构的外皮设一道沉降缝。