北京奥林匹克公园位于北京市朝阳区，地处北京城中轴线北端，北至清河南岸，南至北土城路，东至安立路和北辰东路，西至林翠路和北辰西路，总占地面积11.59平方千米，集中体现了“科技、绿色、人文”三大理念，是融合了办公、商业、酒店、文化、体育、会议、居住多种功能的新型城市区域。2008年奥运会比赛期间，有鸟巢、水立方、国家体育馆、国家会议中心击剑馆、奥体中心体育场、奥体中心体育馆、英东游泳馆、奥林匹克公园射箭场、奥林匹克公园网球场、奥林匹克公园曲棍球场等10个奥运会竞赛场馆。此外，还包括奥运主新闻中心（MPC）、国际广播中心（IBC）、奥林匹克接待中心、奥运村（残奥村）等在内的7个非竞赛场馆-，是包含体育赛事、会展中心、科教文化、休闲购物等多种功能在内的综合性市民公共活动中心。
北京奥林匹克公园分为三部分：北部是6.8平方千米的奥林匹克森林公园、中部是3.15平方千米的中心区、南部是1.64平方千米的已建成和预留区（奥体中心）。
已建成和预留区原为国家奥林匹克体育中心，位于北四环中路以南、北辰路以东的地区，所有场馆均为1990年亚运会的比赛场馆——包括奥体中心体育场、奥体中心体育馆和英东游泳馆。其南部的预留地将被开发为文化商务区。中心区位于奥林匹克公园中部，科荟路以南，北四环中路以北。其西北角设有奥运村，南部设有各个主场馆，包括国家体育场“鸟巢”、国家游泳中心“水立方”、国家体育馆、国家会议中心（赛时为击剑馆、国际广播中心）等。此外，奥林匹克多功能演播塔（玲珑塔）、数字北京大厦、主新闻中心也在这一区域-。森林公园位于科荟路以北，利用挖湖堆山的中国古代园林技术，建造出“奥海”、“仰山”，作为北京中轴线向北延伸的终点。园区以五环路划分为北区和南区，南区以人工景观为主，北区的定位则更贴近自然野趣。两区中间设置一座跨越五环路的“生态廊道”。其西侧设有奥林匹克公园曲棍球场、奥林匹克公园射箭场及奥林匹克公园网球场（现称“国家网球中心”）。另一种划分方式中，除了奥运村之外的各区域按照规划功能进行组合，划分出五个片区：
国家体育场北路以南为“体育功能区”，国家体育场“鸟巢”、国家游泳中心“水水立方”、国家体育馆、奥体中心体育场、奥体中心体育馆、英东游泳馆等主要体育设施位于此区域内。国家体育场北路和科荟路间，龙形水系东侧为“文化科教区”，赛后开放的中国科技馆新馆、规划中的中国美术馆新馆、中国国学中心等科教文化设施设置在这一区域。国家体育场北路和科荟路间，龙形水系西侧为“特色商业区”，国家会议中心、北辰洲际酒店、下沉广场商业区、以及正在建设中的瞭望塔位于此区域。科荟路与五环路间为“森林游憩区”，对应森林公园南区。五环路以北为“生态康体区”，对应森林公园北区。
奥林匹克公园围绕贯穿整个园区的中轴线设计了不同的景观，设计了三条轴线——中轴线、西侧的树阵和东侧的龙形水系。在龙形水系和中轴线之间设置了三段不同的空间（庆典广场、下沉花园、休闲广场），水系两岸也分别配套进行了景观设计。在园区之中设置了一个标志性景观塔——玲珑塔，赛时为媒体提供演播室、电视转播等服务。此外，园区中已有的历史遗存，包括北顶娘娘庙等古迹在内，也放在了景观设计的考虑范围之内。
中轴线本身设计为景观大道，总面积40万平方米，中间不设置建筑物（称作“虚轴”，与内城设置建筑物的“实轴”相对）。大道南起熊猫环岛，北至森林公园南门广场，总长3.7千米，在宽度为21至60米不等的范围内采用灰色花岗石模仿中国古建筑中的御道进行铺装，即使与市政道路相交的位置也保持不变，以保持大道的完整性。
西侧的树阵景观带宽100米，长2.4千米，南起四环路北侧，北至科荟路，中间在国家游泳中心和国家体育馆东侧断开以形成广场。树阵中的树木间隔为6米，矩阵排列，树种以北京本地物种为主，考虑到成本没有全部使用银杏，而是以油松、毛白杨、国槐、栾树等树种为方阵主体，两侧以银杏阵列贯穿。树下则从南部的硬质透水砖，变成中部的规则绿篱，最终变为北部的自由绿化，逐渐融入森林之中。
东侧的龙形水系总长约2.7千米，宽度20至125米，总面积16.5公顷，南起鸟巢南侧，北至森林公园奥海。虽然是人工水系，水源也是污水处理厂中生产的中水，但是在建设中人工构建了生态平衡，以达到自然净化的效果。西岸的湖边西路为非机动车道，在下沉花园旁设置了亲水平台，并辅以台阶、平台、座椅等设施。东岸则设置了带状绿地，西侧植被种植较矮较稀疏，东侧叫高较密，这样一来既利于从东岸向西观赏中心区，也使得中心区向东望去的景色富有层次感。
三段空间中，南段的庆典广场与中轴广场相连，为周边的国家体育场、游泳中心、体育馆提供赛时和赛后大型活动人流集散和室外活动举办的空间，南北两侧设置了喷水池。中段的下沉花园结合周边的地铁站和20多万平米的地下商业设施进行设计，以“开放的紫禁城”为主题设置了7个院落，自南到北依次排开，分别采用不同的设计（4、5号院由道路分隔，采用同一设计），体现出不同的中国传统文化元素。而北段的休闲花园则自然种植了植被，作为中心区逐渐过渡到森林的缓冲地带，植被中间留有空地以便活动；在建的瞭望塔位于休闲花园内。
北京奥林匹克公园中心区地下环形交通走廊通道全长9.9公里，其中主干道长4.5公里，是亚洲最长的城市隧道。条环形通道的走向与奥林匹克公园中心区内的南一路、湖边东路、北一路和景观西路大致相当。其中东西两段距地面13米，南北两段距地面7.8米。通道主体长4498.92米，与附1713.8米，与地面相连的出口长3719.06米，整个地下工程全长9931.78米。通道宽12.25米，共有3条车道。通道的特别之处在于它只允许逆时针单向行驶，且限速每小时30公里。25个出入口连接周边路网。地下通道内平均每两三百米就有一个出入口，总计有25个之多。密集的出入口与奥林匹克公园中心区周边的北四环路、成府路、大屯路、科荟路、北辰路等近10条市政道路相通。其中，与地面道路相连的有6个入口和7个出口，与大屯路隧道及成府路隧道相连的有6个入口和6个出口。地下通道还与周边楼宇内的地下车库相通，并为那些还在图纸上、没有开工的楼宇预留了接口，这样的接口共有34个。此外，地下通道并非单纯的交通过道，里面有完备的附属设施，其中包括5个独立的人员逃生出口、1座消防泵站、1个监控中心及排风机房和送风机房。