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个升降台，在演奏台前部设有钢琴升降台。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。