根据地形、地貌和隧道洞口两端的道路平面条件，白石山隧道设计为双跨连拱隧道，双向6车道设置。隧道入口端位于直线段，出口端位于直缓段缓和曲线上。左、右线隧道纵向坡度均为0.345%，隧道路面设2%单向横坡。左右线隧道中心线间距为18.2m。
隧道横断面按双跨连拱、单洞三车道单向行驶断面设计。隧道断面净宽14.75m，行车宽度11.25m（3×3.75m），行车方向左侧设宽0.75m的检修道，右侧设1.5m宽人行道；行车道净高5m。路面横向坡度2%。隧道内轮廓尺寸考虑结构施工误差、预留变形、运营期间的部分设备安装及装修所需空间，内轮廓的形状根据结构受力要求，尽量使断面圆顺，并兼顾美观考虑。隧道内轮廓设计为四心圆拱形式。