Mit dem neoklassizistischen Neubau des Flughafens Tempelhof ab 1934 durch den Architekten Ernst Sagebiel wurden erstmals alle Anforderungen eines modernen Großflughafens in einer architektonischen Gesamtform mit getrennten Funktionsebenen für Ankunft, Abflug, Post- und Frachtverkehr organisiert. Die in der Gebäudeanlage verwirklichte funktionale Komplexität (Ebenentrennung sowie zahlreiche – erst heute allgemein übliche – Sekundärfunktionen wie Hotels, Kongresszentrum, Großrestaurants, Lufthansa-Verwaltungen) war zum Zeitpunkt der Entstehung als Flughafen einzigartig und ist in zahlreichen Bestandteilen Vorbild für moderne Flughafenanlagen geworden. Der britische Architekt Lord Norman Foster bezeichnete den Flughafen daher im Jahr 2004 als „die Mutter aller Flughäfen“. Diese Metapher bekräftigte er 2009 und fügte hinzu: „Tempelhof müsste eine Sache des nationalen Gewissens sein – es ist viel zu bedeutend, um auf dem Altar kommerzieller Immobilienentwicklung geopfert zu werden.“^[25]

Wegen seiner besonderen ingenieurtechnischen Bedeutung wurde das Bauwerk am 1. Juni 2011 von der Bundesingenieurkammer mit dem Titel Historisches Wahrzeichen der Ingenieurbaukunst in Deutschland ausgezeichnet.

Der Flughafen teilt sich in die mehr als 1200 Meter^[26] lange Flughalle mit Hangar und die Empfangs- und Verwaltungsgebäude. Das Empfangsgebäude befindet sich axial dem Hallenbogen angeschlossen, umschließt einen Vorplatz dreiseitig und schafft einen Übergang zu dem dahinter liegenden heutigen Platz der Luftbrücke. Dieser Platz war als Rundplatz konzipiert und sollte einen Durchmesser von 250 Metern haben. Die am Platz liegenden viergeschossigen Bauten sollten einen Dreiviertelkreis um den Platz legen und Dienste wie Luftpostamt und Frachthof aufnehmen. Die vorgesehene Bebauung ist allerdings nur auf der Ostseite des Platzes verwirklicht. Die Außengebäude sind, ähnlich wie viele andere Bauten aus der Zeit des Nationalsozialismus, mit Natursteinplatten aus Muschelkalk verkleidet. Die Gesamtanlage steht unter Denkmalschutz. Seit Dezember 2007 liegt dem UNESCO-Welterbe-Komitee ein Antrag auf Ernennung zum Weltkulturerbe vor.

Vom letzten freien Viertel des Rundplatzes, das sich gegenüber dem Empfangsgebäude geöffnet hätte, sollte eine Wasserkaskade bis zum naheliegenden Kreuzberg reichen.

Diese Wassertreppe wurde allerdings nicht verwirklicht. Die damit durch die Haupthalle verlaufende Achse der Flughafen-Anlage ist in ihrer Richtung auf das Kreuzbergdenkmal von Karl Friedrich Schinkel orientiert. Der Flughafen sollte, den Wünschen Adolf Hitlers entsprechend, seine monumentale Wirkung östlich der geplanten Nord-Süd-Achse entfalten.

Die Anlage des Flugfeldes entsprach den zum Planungszeitpunkt gültigen Bedingungen, indem sie für den Betrieb kleiner Flugzeuge als Rasenfläche mit vier betonierten Start-Taschen ausgelegt wurde. Hierdurch war ein Starten und Landen der noch relativ leichten Fluggeräte exakt gegen den Wind möglich. Die Gesamtform als Oval erfüllte neben der idealen windrichtungsneutralen Form zugleich die Anforderungen als Luftstadion für die von Hermann Göring vorgesehenen Flugschauen.

Die Passagierhalle teilt das Gebäude in zwei Hälften und ist hundert Meter lang und fünfzig Meter breit. Daran schließen sich unmittelbar zu beiden Seiten die Hangars an. Diese – alle Funktionen eines Flughafens integrierende Anordnung – die heute wegen der damit verbundenen geringeren Flexibilität unüblich ist, war wesentlicher Konzeptbestandteil mit dem Ziel, Zusammenhang und Größe zu demonstrieren.

Eine technische Meisterleistung ist die über 40 Meter weit auskragende stählerne Dachkonstruktion entlang des Flugsteigs. Flugzeuge bis zu einer Höhe von fast zwölf Metern können unter das Dach des Flugsteigs rollen, um dort abgefertigt zu werden. Das Flughallendach war ursprünglich auch als Tribünenbereich für mehr als 100.000 Zuschauer gedacht, wie bei Flugschauen zu den Reichsflugtagen. Eine weitere Besonderheit ist, dass die gesamte Dachanlage nicht nur im Bezug auf ihr eigenes Gewicht freitragend ist, sondern auch Schneemassen von mehreren Metern Höhe problemlos aufnehmen kann. Die Stadtseite der gebogenen Hangar- und Hallenanlage wird durch die sich in gleichen Abständen befindenden Treppentürme zur Erschließung der von Hermann Göring auf dem Dach vorgesehenen Zuschauer-Tribünen gegliedert. Die Treppentürme waren so ausgelegt, dass 100.000 Zuschauer in weniger als 30 Minuten die Dachtribünen hätten erreichen können, für die damalige Zeit eine ausgeklügelte logistische Meisterleistung. Diese – seit der Bauzeit im Rohzustand belassenen und für die Öffentlichkeit nie genutzten – unzugänglichen Treppenhäuser bestimmen die dominante Erscheinungsweise des Gebäudes; allein hierdurch wird der Zeitbezug zur Architektur des Nationalsozialismus deutlich.

Der aktuelle Betreiber, die Tempelhof Projekt GmbH, bietet Führungen an, bei denen die ansonsten nicht zugänglichen Bereiche besichtigt werden können. Hierzu zählt auch der als Ballsaal gedachte Raum über der Abfertigungshalle, der in seiner Funktion nie fertiggestellt wurde. Während der Nutzung durch die amerikanischen Streitkräfte wurde hier eine Basketball-Halle errichtet, die noch immer so erhalten ist. Im Nebenraum befindet sich eine Bar, die als Entertainment-Bereich mit Billard-Tischen und Bowling-Bahnen genutzt wurde.

Berlins Regierender Bürgermeister Michael Müller erklärte am 12. November 2015, dass aufgrund anhaltend hoher Flüchtlingszahlen bis auf weiteres die Hangars und die überdachte Haupthalle für die Flüchtlingsregistrierung und -unterbringung benötigt und damit andere Nutzungen ausgeschlossen würden.

Der ehemalige Flughafen Berlin-Tempelhof hat außerdem umfangreiche unterirdische Anlagen, die über drei Etagen hinab in die Tiefe reichen. Mit der Aufgabe des Ausbaus 1942 wurden diese sowie auch einige oberirdische Elemente nicht weitergebaut. Unterirdisch wurden beispielsweise Fertigungsanlagen für Flugzeuge (im Zweiten Weltkrieg), Filmarchive, Kraftwerke und die spätere Kommandozentrale der US Army untergebracht. Dabei wird die Größe des „Tunnellabyrinths“ legendenhaft überschätzt. Die von Fotos her bekannte Endmontage von Jagdflugzeugen fand erst 1945 an der Endstation des Eisenbahntunnels am Hauptgebäude statt, und zwar in einer Halle, die zu einem tief gelegenen Innenhof hin offen ist. Im Zweiten Weltkrieg wurden die unterirdischen Räume auch für die Bevölkerung unverzichtbar als Luftschutzbunker genutzt, wobei Überreste von „Wandmalereien“ nach Motiven von Wilhelm Busch erhalten geblieben sind. Sie wurden auch während der Nutzung der Räume durch die amerikanische Luftwaffe bis 1993 nicht entfernt. Die Wände der Räume wurden zwar mehrfach weiß gestrichen, doch es wurde um die Gemälde sorgsam herumgestrichen, sodass die Wandmalereien nicht beschädigt wurden.

Eine weitere Besonderheit ist eine in die unterirdische Ebene hinein verlaufende Straße zur Versorgung des Flughafens und Anlieferung von Gütern sowie ein Eisenbahntunnel. Der Tunnel wurde über einen im Westen und Süden am Flughafenrand verlaufenden Gleisanschluss zum Güterbahnhof Hermannstraße, an dem auch die Neukölln-Mittenwalder Eisenbahn beginnt, an das Eisenbahnnetz der Deutschen Reichsbahn angebunden.

Im südöstlichen Anschluss an das Gebäudeteil Columbiadamm 1–9 befindet sich in fünf Meter Tiefe ein zweigeschossiger Bunkerbau, der sogenannte „Filmbunker“. Seine untere Fußbodensohle ist mit 12,50 Meter das tiefstgelegene Stockwerk des gesamten Flughafenbaus.^[27] Der Filmbunker diente der Hansa Luftbild und der Luftwaffe zur Lagerung von Kartenmaterial und Luftbildaufnahmen auf Zelluloid, wofür auch eine aufwendige Lüftungsanlage eingebaut wurde. War bislang angenommen worden, dass der Zugang zum Bunker im April 1945 durch sowjetische Truppen aufgesprengt und sein Inhalt durch den dadurch ausgelösten Brand vollständig vernichtet worden war, ist inzwischen erwiesen, dass das über 1200 °C heiße mehrtägige Feuer nicht durch äußere Explosion entstanden sein konnte.^[28] „Also bleibt eigentlich nur die Möglichkeit, dass die Deutschen den Inhalt des Bunkers selbst und mit voller Absicht vernichtet haben, um ihn nicht dem Feind in die Hände fallen zu lassen.“^[29] Die Spuren des Feuers sind heute noch sichtbar; Rohrleitungen, Überdruckventile und Aktivkohlefilter-Reinigungsanlagen der Lüftung sind ebenfalls erhalten.

Der markante und über 71 Meter hohe Radarturm östlich des Flughafengebäudes wurde 1982 so konstruiert und errichtet, dass sich die durch den Wind verursachten Turmbewegungen kaum auf die Qualität des Radarbildes auswirken.^[30] Es wurde bewusst eine dem monumentalen Baustil des Flughafens entgegengesetzte filigrane und moderne Bauform gewählt.^[31]

Bis zu Beginn der 1990er Jahre, als der Flughafen noch von der US Air Force betrieben wurde, gab es einige weitere Navigationsanlagen am Flughafen. Sie wurden mit dem Abzug der amerikanischen Streitkräfte abgebaut, da es sich größtenteils um rein militärisch nutzbare Anlagen handelte. So existierte südlich der südlichen Start- und Landebahn auf Höhe der Bahnmitte ein Präzisionsanflugradar (PAR), das für die Südbahn genutzt wurde. Auf dem Dach des Gebäudes in Höhe des GAT befand sich ein Flughafenrundsichtradar (ASR). Die Radaranlage selbst ist abgebaut, allerdings ist die Trägerkonstruktion immer noch erhalten. Bereits im Oktober 1984 wurde ein auf dem Dach des Gebäudes befindlicher Funkhöhenmesser abgebaut.d