Проектирование поручили известному московскому архитектору А.З. Гринбергу, он, в свою очередь, пригласил участвовать в проекте театрального архитектора Т.Я. Бардта и главного художника Большого театра М.И. Курилко. Ими была разработана и запатентована оригинальная система сценографии и форм сценических действий ТЕОМАСС. В соответствии с этой системой «панорамно-планетарного театра» зрительный зал был устроен в виде амфитеатра на 2600 мест, под трибунами которого был устроен тоннель, в котором на специальных подвижных приспособлениях (фурках) могли передвигаться декорации. Сами декорации предполагалось быстро убирать в развитые боковые кулисы. По специальным пандусам на сцену могли въехать повозка, грузовик или даже легкий танк. Партер на 600 мест при необходимости мог быть перемещен на сцену, а на его месте возникала подъёмно-опускная арена, трансформируемая для цирковых представлений, спортивных состязаний и водных пантомим. На поверхность купола предполагалось проецировать кинофильмы, для чего инженером Минервиным был спроектирован специальный проектор.
Закладка здания состоялась 22 мая 1931 года. Уже в сентябре было закончено возведение каркаса вестибюля и устройство фундаментов опор зрительного зала и крыльев. К апрелю 1933 года была выполнена примерно треть намеченных строительных работ. Сооружение в основных конструкциях поднялось над городом в самом его центре. Предполагалось, что осенью 1934 года удастся закончить внутреннюю отделку амфитеатра, вестибюля с гардеробами и фойе второго этажа.
Внешний облик театра был выполнен в стиле конструктивизма («авангарда»), характерного для модернистской архитектуры конца 1920-х годов: отсутствие декоративных элементов, чистота и строгость форм, обнаженная и ясная строгость конструкций, ленточные остекление и балконы, легкие козырьки над входом, гладкий купол. Однако в это время в Москве были подведены итоги второго тура конкурса на строительство Дворца Советов, после чего произошло резкое изменение стилистических предпочтений советских архитекторов. Теперь большое внимание уделялось декоративному обогащению и следованию классическим образцам в архитектуре. Конструктивизм и другие течения «Современной архитектуры» были запрещены. В результате в августе 1935 года Наркомпрос принял решение отказаться от системы «панорамно-планетарного театра», и с 1936 года театр строился уже для определенного «жанра» – оперы и балета. Была разработана схема реконструкции, по которой уменьшался объем зала, подвешивался акустический подвесной потолок, скрывающий объем купола, удалялась почти вся механизация системы ТЕОМАСС. Окончательно план здания был разработан под руководством В.С. Биркенберга и инженера-конструктора Л.М. Гохмана. Проект был удостоен Золотой медали Всемирной выставки в Париже в 1937 году. В 1938 году макет демонстрировали на Всесоюзной строительной выставке в Москве.
Репрессии 1937 года не прошли стороной и стройку ДНиК: здесь была обнаружена группа «врагов народа». Почти все руководители стройки, начинавшие её, были репрессированы и погибли.
В 1940 году здание театра было практически готово. Официальное открытие театра было запланировано на 1 августа 1941 года. Однако с началом войны, строительство законсервировали. Во время войны в здании хранились сокровища музеев Москвы и Ленинграда (Третьяковской галереи, Павловского дворца и др.). На площадях театра хранило свои фонды или работало 22 учреждения. Изредка использовалась и сцена для проведения концертов. Здесь выступал в годы войны Академический симфонический оркестр Ленинградской филармонии под управлением Евгения Мравинского.
В 1942 году правительство СССР принял решение о срочной достройке театра. В феврале 1944 года здание было сдано в эксплуатацию. Сразу же после этого началось формирование труппы. Первый спектакль состоялся 12 мая 1945 года. Это была опера «Иван Сусанин» М.И. Глинки.
В 1946 в труппу Новосибирского театра оперы и балета вошли воспитанники Московского хореографического училища. Первый балетное представление – «Корсар» (1946) было поставлено М. Ф. Моисеевым. На протяжении работы театра в нем были поставлены классические и современные балетные спектакли.
Здание театра является памятником истории и архитектуры. Колоссальность идеи просто ошеломляет. Внутренняя конструкция театра и его и убранство свидетельствует о масштабности проектирования советских архитекторов. Даже после отказа от первоначальных замыслов о постройке массового театра, способного принять на свою сцену демонстрации и шествия, вмещать военную и промышленную технику, после устранения механизированной системы ТЕОМАСС, театр впечатляет и восхищает.