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。主要供大型歌剧、舞剧演出使用。
    观众厅设有池座一层和楼座三层，共有观众席2398个（含站席）。舞台采用“品”字形舞台形式，分别包括主舞台、左、右侧台和后舞台。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，通过主舞台升降台互换位置，可以迁换场景，也可以参与演出，车台互换技术居世界领先水平。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。
    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台，指挥可以以这种特别的方式出场、谢幕。
    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，分别用于悬挂幕布和景片，吊杆、吊机数量之多居于全国首位。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。
    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，使得混响时间达到了1.6秒的极佳效果。
    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。