Ayant obtenu le droit d'organiser les Jeux olympiques d'été de 2008 en juillet 2001, une procédure sélective est lancée pour choisir le design du bâtiment chargé d'accueillir les épreuves de natation. Le projet intitulé B04 remporte ce scrutin ratifié par le Comité du Parti communiste chinois et le gouvernement municipal le 29 juillet 20032. Ce projet a été conjointement conçu par le cabinet australien PTW et le Britannique Arup en association avec la Société chinoise pour les travaux de construction.
La première pierre du Centre national est posée le 24 décembre 2003. Après avoir terminé l'aménagement des fondations en mai 2005, la structure métallique est montée de juin 2005 à avril 20063. Démarrent alors les travaux d'enveloppement de la structure en « bulles » ou « coussins d'air ».
L'intégralité de la structure extérieure du bâtiment est constituée en ETFE, c'est-à-dire de l'éthylène tétrafluoroéthylène, un matériau plastique transparent très résistant aux différences de pression et de température. Déjà utilisé pour le revêtement de l'Allianz-Arena en Allemagne4, ce matériau permet de laisser passer les rayons du soleil pour éclairer l'intérieur mais il permet également des effets de lumière en nocturne. Au nombre de 3000 et couvrant 100 000 m² de surface, ils sont à l'origine du surnom anglophone donné au centre aquatique : Water Cube (francisé en Cube d'eau). Commencée en août 2006, l'installation de ces coussins d'air est achevée en décembre 20063. La dernière phase de la construction touche l'aménagement intérieur du complexe. L'ensemble des travaux est terminé en janvier 2008 et l'inauguration célébrée dès la fin du mois.
Le bâtiment se veut résolument écologique puisqu'il est capable de produire lui-même sa propre électricité et de recycler les eaux de pluie. La paroi transparente laissant passer la lumière naturelle permet de diminuer d'un tiers la consommation d'énergie.