国家体育馆的造型设计通过两条上下起伏的波浪形曲线屋面，似飘逸的带操彩带，体现轻盈并富于动感的体育建筑特性，满足建筑功能的使用要求，在城市空间景观上起到了衔接国家游泳中心和国家会议中心的作用，实现了建筑功能与形式的统一。
这座完全由中国建筑师自己设计、施工完成的国家体育馆所体现的文化内涵，除采用传统建筑文化的“灰”色调及传统“木”建筑材料外，更多的是采用新的建筑材料和技术，营造更加人性化的空间，体现了更广泛意义上的具有中国特色的建筑文化，它融合了传统韵味与现代风情，众多人性化、环保的设计成为其最大亮点。
体育馆采用多功能技术的复合屋面，是国内比较罕见的九层复合结构9博体育最新，由水泥板、玻璃棉、防水层，吸隔声材料组成，并在最外层喷涂吸音材料，最大限度地减少屋外噪声的影响。其下部主体结构采用了钢筋混凝土框架剪力墙结构与型钢混凝土框架钢支撑相结合的混合型结构体系，屋盖则采用了造型新颖、结构先进的大跨度空间结构体系——双向张弦空间网格结构体系，同时结合双向张弦的特点设计了多种创新的节点。