国家体育馆国与“鸟巢”、“水立方”和国家会议中心比邻而居。由于比赛场馆和场馆对空间高度的要求不同，国家体育馆以中国“折扇”为设计灵感，采取由南向北的波浪式造型，屋面轻盈而富于动感。这种波浪造型也巧妙地连接了与之南北相应的平顶造型“水立方”和单曲面造型的国家会议中心，使得奥林匹克公园内的城市景观达到协调统一。

国家体育馆钢屋架南北长144米，东西宽114米，整个体育馆钢屋架工程由14榀桁架组成，总用钢量达2800吨，钢屋架形状呈扇形波浪曲线，是目前国内空间跨度最大的双向张弦钢屋架结构体系。