東京芸術センターの核となる施設が、20階および21階の2層吹き抜け構造で作られた「天空劇場（てんくうげきじょう）」です。客席数は最大約400席。中規模ホールならではの演者と観客の一体感を保ちつつ、高層ビル最上階ならではの開放感を両立させた稀有な劇場設計となっています。
座席配置は緩やかな傾斜がつけられたスタジアム状のレイアウトを採用。前列から後列まで視線が前の観客の頭部に遮られにくい構造となっており、「どの列からでもステージ上の演奏者の手元や表情がしっかり捉えられる」と鑑賞者から高い評価を得ています。特にピアノリサイタルや室内楽、アコースティックな編成の公演では、壁面の木製パネルがほどよい残響を生み出し、輪郭のくっきりとした明瞭な音像を体感できます。
さらに天空劇場屈指の演出として知られるのが、ステージ背面に設置された大型ガラス窓と電動遮光カーテンです。開演中は遮光してステージに集中させ、アンコールやフィナーレの瞬間にカーテンをオープン。地上約80メートルから広がる東京スカイツリーや都心の夜景が一気に広がる瞬間は、他のホールでは味わえない劇的な感動をもたらします。
