Nhà hát Opera Sydney chủ yếu được làm từ vật liệu bê tông, đá granit, thủy tinh và gốm sứ. Lớp vỏ màu trắng đặc trưng của nhà hát được làm từ bê tông đúc sẵn cốt thép và được bao phủ bởi hơn 1 triệu viên gạch men. Các bức tường khác được làm từ kính nhiều lớp được hỗ trợ bởi các thanh thép hoặc bê tông ốp đá granit.
Thiết kế ban đầu của Nhà hát Opera Sydney đã được sửa đổi do những lo ngại về cấu trúc. Để tạo ra hình dạng độc đáo, kiến trúc sư Jørn Utzon cuối cùng đã tạo ra một hệ thống sườn bê tông và vỏ bê tông chứa dây cáp và thanh thép dự ứng lực. Mỗi phần được đúc cẩn thận trên mặt đất và sau đó được chuyển vào vị trí.
Utzon đã làm việc trong mười hai tháng với nhà máy gốm sứ Höganäs để phát triển gạch cho vỏ của Nhà hát Opera Sydney. Lấy cảm hứng từ kỹ thuật gốm sứ của Trung Quốc, Höganäs đã tạo ra những viên gạch có độ sáng bóng và phản chiếu ánh sáng. Mỗi viên gạch được đúc vào một khuôn bê tông định hình sẵn trên mặt đất và sau đó được gắn vào vỏ bê tông có gân đã được lắp dựng sẵn.
Nền bê tông của tòa nhà được lát bằng đá granit đỏ. Được thiết kế để tương phản với cấu trúc vỏ sáng trực quan, đá granit được rèn bằng kim để giảm độ sáng bóng tự nhiên.
Các bức tường kính được làm từ các đoạn kính nhỏ hơn được ghép với nhau bằng thép. Utzon đã sử dụng họa tiết lông vũ của một cánh chim làm nguồn cảm hứng cho hình dạng hữu cơ của tòa nhà.
