北京水立方外层膜结构采用ETFE材料，这种材质质地非常轻巧，但强度却超乎想象。充气后的气枕足以经得住汽车轧过，其延展性极好，拉伸到本身三到四倍长都不会断裂，且耐火耐热性能突出。
水立方的结构是怎样的？
关于膜结构的安全性，郑方表示其并不脆弱，只有尖锐锐器才能扎破。即便局部损坏也不影响整体，因为每个气枕独立且气泵会自动充气。修补时使用专用ETFE胶带即可，像透明胶带一样简单方便。
针对飞鸟可能对膜表面造成的划伤威胁，水立方顶部设计了细钢丝网以阻止小鸟飞落。同时为防止人为破坏，场馆周围特意设计了“护城河”。在内部，观众需沿东南入口的螺旋楼梯才能触摸到膜结构。
ETFE膜结构具有极强的自洁性，因摩擦系数小不易附着尘土。即使粘上尘土，小雨或水冲即可洗净。该材料寿命长达20年以上，具备隔热、排水、排污、去湿及防雾功能，对游泳运动环境尤为重要。
水立方内部支撑钢结构复杂，钢构件总数达30513根，连接球节点9843个。为了营造水分子感觉，气枕均为不规则多面体，钢架构也是三维空间的12面体或14面体，这种搭建方式在世界上属于首次。
水立方的气枕结构由3000多个大小不一、形状各异的气枕组成，覆盖面积达11万平方米，最大约90平方米，最小不足1平方米。这些气枕由内外两层ETFE膜构成，世界范围内首次在大面积全封闭体育场中应用。
水立方作为21世纪膜结构建筑的典范，集建筑学、结构力学、精细化工等多学科技术于一体。它是世界上最大的膜结构工程，除了地面外外表均采用ETFE材料，其蓝色表面柔软而充实，体现了结构力量美与浪漫空间感。