中国石油大厦设计方案正面回应了场地制约的挑战。建筑沿南北方向一字摆开，恰好确定了四栋南北向的办公建筑，充分发挥了场地的资源条件。在此基础上，将南北两组建筑在东西方向上加以延长，形成“L”形的平面和两个相对围合的空间，中间的部分再通过上部的联系，形成集团的入口礼仪大厅。分散布局最大限度地满足了建筑主体尽可能多的南北朝向，确保了建筑主体的自然采光和通风，使其形成一组主次分明、错落有致的建筑群。
整栋建筑沿东二环路一字排开，形成长达250米的城市界面。四栋办公建筑之间形成的巨大空间标定了现代城市建设在尺度上发生的巨变，提示着城市空间的存在，引起公众对建筑的关注，在空间上将城市与建筑紧密联系在一起。
在四栋办公建筑平面布局确定之后，建筑裙楼部分被设计成贯通南北的连续空间，将大厦的主要出入口有机地连接起来，在解决功能的同时，创造出连续的、宏大的共享空间。其中，大厅长宽约40米，高53米，采用张拉双索玻璃幕墙，将室外景观引入室内。
建筑外立面选材以石材为主，整体风格力求稳重大方。立面肌理采用竖线条的设计方式，使建筑获得高耸挺拔的视觉效果，凸显中石油集团蓬勃向上的企业精神和发展前景。建筑幕墙为石材竖线条间隔玻璃幕墙，在保证大厦总体石材感觉的同时，最大限度地增加了办公空间的通透率，有效地控制光线的反射。
平面柱网采用8.1米x8.1米/5.4米，以1.35米为基本单元，将建筑设计纳入模数体系内，使建筑从内到外，从实体到空间都严格遵循统一的逻辑和秩序，从而体现出建筑严谨的风格，表达结构逻辑和空间秩序。
大厦结构采用型钢混凝土结构，同钢筋混凝土结构相比，可降低结构自重，减少断面尺寸，加快施工进度，同钢结构相比，可降低造价，提供防火性能。由于梁柱断面尺寸的减少，使建筑的使用效率得以提高，吊顶的高度得以增加，从而改善了办公环境。
清晰的设计理念和方法得到了建设方得鼎立支持，也为大厦的工程设计整合各类技术方法，提高完成度创造了条件。在设计过程中，从城市空间到建筑单体，从功能要求到平面布局，从室内环境到室外景观，从细部节点到空间尺度，从模数控制到逻辑关系，从材料工艺到技术体系，从设备配置到系统集成，从构造措施到成本平衡，各专业工种努力做到理性的表达和总体的协调，将整体设计的概念落实贯穿于设计过程中。
生态设计充分考虑大城市生态环境因素之影响，将周边环境与本项目建筑自身之间的不利影响降至最低。中国石油天然气集团公司是以生产能源为主的大型企业，大厦的建设必须充分体现节能意识，尽可能地采用包括先进的新技术、新材料、智能化等多项措施，减少能源消耗，提高能源利用效率，节省业主建设运行费用，将中国石油大厦建设成为具有世界先进水平的绿色、环保、节能的办公大楼。
人性化设计设计中始终坚持绿色、健康、环保理念，充分考虑中国石油大厦使用者的各种需求，为之提供周全、便捷的人性化服务。要保证建筑物内高舒适度的办公环境，有效控制室内的空气质量、室内的噪音等级以及室内的热环境等，保持空气的清新和洁净，力求营造典雅舒适、安全便捷、尺度宜人并别具特色的场所空间与可持续发展的人居环境。
智能化设计作为中国石油天然气集团公司总部办公场所，其内部功能必须与该企业面向全国、面向世界的形象相匹配。智能化系统是整个建筑的“大脑”，是体现大厦现代化、先进性的重要因素，因此，中国石油大厦必须在高智能、高集成的水准上达到世界先进的智能建筑水平，为大厦的使用者提供一个安全、高效和便利的办公空间。
