歌劇院是國家大劇院內最宏偉的建築，以華麗輝煌的金色為主色調。歌劇院主要上演歌劇、舞劇等、芭蕾舞及大型文藝演出，歌劇院的觀眾廳設有池座一層和樓座三層，有觀眾席2091席（不包括樂池）。歌劇院有具備推、拉、升、降、轉功能的先進舞台、可傾斜的芭蕾舞台板、可容納三管樂隊的升降樂池。歌劇院舞台采用“品”字形舞台形式，由一個主台、兩個側台和一個後台構成，可迅速地切換布景。其中，主舞台有6個升降台，既可整體升降又可分別單獨升降。舞台的左、右側台各有6台可以橫向移動的車台，通過主舞台升降台互換位置，可以遷換場景。後舞台下方距地麵15米處，儲存有一個芭蕾舞台台板，主舞台升降台下降後，芭蕾舞台可移動到主舞台台麵上，用於芭蕾舞演出。台麵用的是俄勒岡木，並用三層結構來增加彈性，保護了芭蕾舞演員的足尖。這也是國內麵積最大的無縫隙專用芭蕾舞台板，台麵可傾斜至5.7度。由於穹頂高度的限製舞台和部分觀眾席位於地下。舞台上方柵頂高度為32米。吊杆、燈光橋、燈光渡橋通過鋼絲繩懸掛在空中。61道電動吊杆，78台軌道單點吊機，24台自由單點吊機，燈光橋、燈光渡橋、燈光吊架將1588盞用於演出的燈具點綴在歌劇院舞台的上方，燈光反應快，可以在幾秒鍾內變換造型。舞台頂部還設置了60多道吊杆和幕布，可以製造不同的演出場景。樂池麵積為120平方米，可容納90人的三管編製樂隊，也可升至觀眾席水平位置變成觀眾席。在樂池中，還特別為指揮設計了專用升降台，指揮可以以這種特別的方式出場、謝幕。歌劇院在牆麵上安裝了弧形的金屬網，聲音可以透過去，而金屬網後麵的牆是多邊形，這樣就形成了視覺的弧形和聽覺空間的多邊形，做到了建築聲學和劇場美學的完美結合，其混響時間為1.6秒，符合歌劇及舞劇等的演出要求。歌劇院設有6個單人化妝套間，6個單、雙人化妝間，18個中化妝間，2個樂隊指揮休息套間，6個樂隊用大化妝間，8間練習琴房。
國家大劇院內設有齊全的劇院配套設施，包括化妝間、練琴房、排練廳、指揮休息間、演員休息廳、演員候場區、換裝間、道具間、繪景間、貴賓廳、禮儀大廳等。觀眾席的每個坐椅下都會有空調送氣孔。觀眾在觀看演出時，感受不到氣流的存在，卻能享受到空調帶來的舒適。而且下送風設計調節的是地麵以上兩米高度內的空氣溫度，與傳統中央空調調節整個劇場溫度相比，不僅大大節約了能源，還不會產生中央空調的那種噪音。此外，坐椅安有消聲裝置，即使觀眾中途離席折疊收椅，也不會發出聲音。
早在20世紀50年代政府對長安街的規劃就設想了國家大劇院的建設，周恩來總理首次提出建設國家大劇院批示，地址“在天安門以西為好”。最後因財政原因沒有實施。