廣州歌劇院由英國著名建築師扎哈•哈迪德和聲學大師馬歇爾共同設計。扎哈•哈迪德是第一位獲得“普利茲克建築獎”的女設計師，馬歇爾則是國際聲學界最高獎“塞賓獎”得主，也是負責巴黎音樂廳聲學設計的核心專家。
兩位大師將他們的設計理念命名為“圓潤雙礫”，因為歌劇院從外觀上看就像靜卧在珠江邊平緩山丘上的兩塊礫石，一大一小，一黑一白。隨着工程臨近收尾，“雙礫”造型已經呼之欲出，由石材和玻璃鑲嵌而成的外牆顯得玲瓏剔透又不失凝重。
衡量歌劇院的聲學條件主要有三個指標：第一是進場感，即哪怕在離舞台最遠的地方也能享受到聲學上的親近感；第二是清晰度，即不管坐在哪個座位上，都能將歌詞聽得清楚；第三是聲音優美，即能感覺出聲音很豐滿，混響感很強。從測試效果來看，廣州大劇院就達到了國際一流劇院的聲學條件。
內部聲學設計根據馬歇爾大師的獨特研究採用“雙手環抱”式看台，此項設計為全球首創。
觀眾廳採用多邊形設計，樂池為“倒八字形 ”，有利於增加台上演員和樂池演奏者的溝通。
“雙手環抱”，是指觀眾席看台兩側的延伸部分和樓座挑台交錯重疊，從舞台角度看來，猶如迎面伸來的兩隻手臂。據介紹，此種設計的優勢在於內牆的形狀和角度有利於提供側向反射聲，同時避免回聲的干擾，從而使得混響音色既優美又清晰。
內部空間
坐在觀眾席上對舞台視野良好，劇院內部空間形狀形成一種強烈圍合感，有利於聲音反射。
一層視野一角。
可以看出各種聲波反射鰭片和彎曲的樓板底面形狀、光滑的材質。
底層仰視視角
大膽利用二三層觀眾席和舞台旁邊的牆壁來取代原有的反射板
更為巧妙的是設計的座椅背面有聲音反射作用，座椅軟墊則有吸聲作用，使座椅反轉時聲音人耳根本聽不到。
側邊通道壁上有聲音反射設計。
座椅隔斷的形狀和材料。
觀眾廳
內表面看起來很隨意沒有規律可言，但沒有一塊是隨意確定的，深化設計及施工中不可以任意改動主觀眾廳內的牆、天花板、看台邊緣和觀眾席的分割攔板等的幾何形狀，內表面基本上是一個聲反射表面，這些稱之為聲擴散元素，把反射聲擴散開來。聲音擴以後，分佈就會均勻。
負責歌劇院聲學設計的專家杜曉軍表示，經過測試，廣州歌劇院的混響時間為1.6秒，與最初設計的目標吻合。一般話劇演出或報告廳的理想混響時間是1秒，純交響樂演奏的理想時間是2秒，而歌劇院的聲效既要達到讓觀眾聽得清楚，又要保證伴奏音樂優美，所以就定位在1.6秒。
廣州歌劇院的室內也徹底地貫徹了扎哈•哈迪德的設計理念。藉助大面積的玻璃與室外景觀內外交融，延續建築外觀靈動流暢的設計風格，室內以充滿視覺張力的作法來處理牆面及頂面，構成功能交織、景觀滲透的動態空間。大量的平面、斜面、曲面構成的牆面、天花、欄板、取景窗，猶如流過礫石的珠江水，時而平緩，時而高潮迭起，但不留一絲痕迹。
由於聲學要求，觀眾廳內採用了G R G 掛板，且厚度較一般常用的大，行雲流水般的觀眾廳內牆，是沒有規律可求的。 G R G 的全稱是預鑄式玻璃纖維加強石膏，廣泛用於聲學要求較高的演出廳堂，能實現自由曲面，且具有較好的強度及抗衝擊力，其不易變形。根據樣板的製作，前廳則採用較薄的G RG 掛板。這種材料實現了設計“流水經過，不留一絲痕迹”的想法，完成後表面不留任何接縫，實現了大尺度、流暢、扭動且表面光滑無縫的大體塊構成。
不規則的體形設計為聲學設計不但帶來驚喜, 也帶來了挑戰。為了獲得第一次反射聲和混響聲的平衡，反射聲在空間內的合理分佈以及合理的聲反射序列，經過聲學設計的多番計算測試，結合建築設計的反覆修改，並製作了一個1 ∶ 100 的小模型來進行聲反射的初步測試研究，終於得到了一個能延續扎哈•哈迪德建築風格，計算機模型聲學測試又能達到設計理想值的廳堂。
接下來就是聲學縮尺模型試驗，設計要求嚴格按1 ∶ 20 的縮尺比建立觀眾廳和舞台的聲學縮尺模型，模型界面用G R G 材料製作，G R G 石膏預鑄件是觀眾廳牆面及吊頂主要裝修材料。初步測試發現，多數測點的聲場均滿足要求，但其中有6 個測點的脈衝響應存在能量較集中的長延時反射聲。三維模型必須進行修改，聲學設計建議在舞台台口兩側牆面、天花的某些部位增加了擴散構件。重新測試修改後的縮尺模型，各測點的聲脈衝響應終於達到較滿意狀態。聲學縮尺模型試驗結果為歌劇院的聲學設計提供了科學的依據。聲學設計也建立了室內聲場三維計算機仿真模型進行聲場分析。這些技術措施保證了大劇院的優良音質。
平台三區清水混凝土天花放樣
廣州歌劇院實現了建築設計和聲學設計的完美結合，建築不規則的非幾何線性體形體現了未來建築的動態發展，不規則的體形打破傳統歌劇院觀眾廳的布局，靈動行雲流水般的室內設計與聲學設計巧妙結合，不僅給觀眾帶來視覺上的享受，也保證了世界一流的聲學音質效果。
