国家大剧院内有三个剧场，中间为歌剧院、东侧为音乐厅、西侧为戏剧场，三个剧场既完全独立又可通过空中走廊相互连通。公共大厅的地板铺着20多种颜色不一、花纹各异的名贵石材，公共大厅天花板由名贵木材拼贴成一片片“桅帆”，木质的红色深浅不一，明暗相间。来自法国的著名画家阿兰·博尼用超过20种不同的红色点染大剧院的各个部分。整个大剧院的墙面丝绸铺设面积达到4000平方米。
歌剧院主要演出歌剧、芭蕾、舞剧，有观众席2416席；音乐厅主要演出交响乐、民族乐、演唱会，有观众席2017席；戏剧场主要演出话剧、京剧、地方戏曲、民族歌舞，有观众席1040席。各剧院都设有化妆间、指挥休息间、练琴房、演员候场区、换装间、服装整烫间、道具间、演员休息厅。舞台技术用房设有音响控制室、灯光控制室、调光器设备间、音响设备室、摄像机房等。在歌剧院的屋顶平台设有大休息厅，在音乐厅的屋顶平台设有图书和音像资料厅，在戏剧场屋顶平台设有新闻发布厅。
大剧院共有五个排练厅，位于三个剧场之间，可以共用也可以分别使用。一个大排练厅主要用于合成排练；两个中排练厅一个主要用于舞蹈排练，一个用于乐队排练；两个小排练厅主要用于分部排练。 大剧院设有集中音像制作中心，有大录音棚一间、同期录音演播室一间，以及电视转播机房和音像后期制作室。大剧院设有一间大绘景间，设置布景吊挂和绘景设备，还设有布景、道具整修间和布景仓库，以及为集装箱运输用的升降平台2台。
在国家大剧院壳体结构上，安装有506盏“蘑菇灯”。与长安街上其他建筑物在夜晚灯火通明的景象不同，国家大剧院壳体上面的“蘑菇灯”散发的是点点光芒，如同夜空中闪烁的繁星。
歌剧院
歌剧院是国家大剧院内最宏伟的建筑，以华丽辉煌的金色为主色调。歌剧院主要上演歌剧、舞剧等、芭蕾舞及大型文艺演出，歌剧院的观众厅观众厅设有池座一层和楼座三层，有观众席2091席(不包括乐池)。歌剧院有具备推、拉、升、降、转功能的先进舞台、可倾斜的芭蕾舞台板、可容纳三管乐队的升降乐池。
歌剧院舞台采用“品”字形舞台形式，由一个主台、两个侧台和一个后台构成，舞台具备推、拉、升、降、转五大功能，可迅速地切换布景。其中，主舞台有6 个升降平台，既可整体升降又可分别单独升降。舞台的左、右侧台各有6台可以横向移动的车台，通过主舞台升降平台互换位置，可以迁换场景。后舞台下方距地面15米处，储存有一个芭蕾舞台台板，主舞台升降平台下降后，芭蕾舞台可移动到主舞台台面上，用于芭蕾舞演出。台面用的是俄勒冈木，并用三层结构来增加弹性，保护了芭蕾舞演员的足尖。这也是国内面积最大的无缝隙专用芭蕾舞台板，台面可倾斜至5.7度。由于穹顶高度的限制舞台和部分观众席位于地下。舞台上方栅顶高度为32米。吊杆、灯光桥、灯光渡桥通过钢丝绳悬挂在空中。61道电动吊杆，78台轨道单点吊机，24台自由单点吊机，灯光桥、灯光渡桥、灯光吊架将1588盏用于演出的灯具点缀在歌剧院舞台的上方，灯光反应快，可以在几秒钟内变换造型。舞台顶部还设置了60多道吊杆和幕布，可以制造不同的演出场景。
乐池面积为120平方米，可容纳90人的三管编制乐队，也可升至观众席水平位置变成观众席。在乐池中，还特别为指挥设计了专用升降平台，指挥可以以这种特别的方式出场、谢幕。
歌剧院在墙面上安装了弧形的金属网，声音可以透过去，而金属网后面的墙是多边形，这样就形成了视觉的弧形和听觉空间的多边形，做到了建筑声学和剧场美学的完美结合，其混响时间为1.6秒，符合歌剧及舞剧等的演出要求。
歌剧院设有6个单人化妆套间，6个单、双人化妆间，18个中化妆间，2个乐队指挥休息套间，6个乐队用大化妆间，8间练习琴房。
音乐厅
国家大剧院音乐厅位于歌剧院东侧，以演出大型交响乐、民族乐为主，兼顾其它形式的音乐演出。
音乐厅的观众席围绕在舞台四周，设有池座一层和楼座二层，共有观众席1859个（包括合唱区）。演奏台设在观众厅一侧，演奏台宽24米、深15米、能容120人的乐队演奏。演奏台设有3个升降平台，在演奏台前部设有钢琴升降平台。四周围的数码墙有如站立起来的钢琴琴键，其凹凸的尺寸和形状是由数论精确计算得出，使声音均匀、柔和地扩散反射。在演奏台后设有可供 180人合唱队使用的观众席合唱区。
安放于音乐厅的管风琴是目前国内最大的管风琴，有94音栓，发声管达6500根之多。出自德国管风琴制造世家——约翰尼斯-克莱斯，与著名的德国科隆大教堂管风琴系出同门，能满足各种不同流派作品演出的需要。
音乐厅的天花板，形状不规则的白色浮雕像一片起伏的沙丘，又似海浪冲刷的海滩，有利于声音的扩散。为了达到声效的完美，在顶棚的下面还悬挂了一面龟背形状的集中式反声板，它的作用是将声音向四面八方散射。
音乐厅的顶部、墙壁、地面、舞台、坐席与管风琴的色调搭配和谐优美，处处传递着音乐殿堂的非凡气质，其混响时间为2.2秒，实现了建筑美学和声学美学的完美结合。
音乐厅设有 2 个乐队指挥休息套间，2个单人化妆套间，4 单人化妆间，6个中化妆间，7个乐队、合唱队用大化妆间，10间练习琴房和1间管风琴练习琴房。
戏剧场
戏剧场是国家大剧院最具民族特色的剧场，营造出颇具中国特色的剧场氛围。戏剧场主要供戏曲（包括京剧和各种地方戏曲）、话剧及民族歌舞使用。观众厅设有池座一层和楼座三层,共有观众席957个（不包括乐池）。
戏剧场拥有世界上最为先进的戏剧舞台，舞台采用由镜框式舞台到伸缩式舞台的可变化形式，设有主舞台、左、右辅台和后舞台。主舞台设置的“鼓筒式”转台，由13个升降块、2个升降平台组成，既可整体升降又可分别单独升降，这种形式的鼓筒式转台在世界上是唯一的，可以达到边升降边旋转的舞台效果。独特的伸出式台唇设计非常符合中国传统戏剧表演的特点。
戏剧场设有5个单人化妆套间，8个中化妆间和3个大化妆间，一个乐队指挥休息套间，3个乐队用大化妆间，还设有4间练习琴房。
配套设施
大剧院内设有齐全的剧院配套设施，共有5个排练厅，位于三个剧场之间，可以共用也可以分别使用。综合排练厅可供剧目进行综合排练和观摩排练；两个中排练厅一个专供舞蹈和戏曲武生使用，地板有较好的弹性；一个专供乐队排练用，厅内混响时间可以调节；两个小排练厅主要用于分部排练。各剧院还都设有化妆间、指挥休息间、练琴房、演员候场区、换装间、服装整烫间、道具间、演员休息厅等配套设施。其中，有普通化妆间72间、VIP化妆间18间、练琴房23间、贵宾厅10间、排练厅5间。舞台技术用房设有音响控制室、灯光控制室、调光器设备间、音响设备室、摄像机房等。大剧院设有集中音像制作中心，有大录音棚一间、同期录音演播室一间，以及电视转播机房和音像后期制作室。大剧院设有一间大绘景间，设置布景吊挂和绘景设备，还设有布景、道具整修间和布景仓库，以及为集装箱运输用的升降平台2台。
在国家大剧院内，除了三大专业剧场和一个试验小剧场以外，还设有水下长廊、展厅、橄榄厅、图书资料中心、新闻发布厅、天台活动区、纪念品店、咖啡厅等活动区域。