铁路枢纽与城市道路共用过江通道
天兴洲长江大桥位于武汉长江二桥下游约9.5公里处，经过江中的天兴洲。它既是京广客运专线的过江工程，也是武汉城市三环线的组成部分。将铁路和城市快速路合并安排，使一处跨江工程同时承担城际运输和市内交通任务。
正桥全长4657.1米，但这一数字包括不同结构的梁跨；其中南汊斜拉主桥长1092米，中央主跨为504米。上层设置双向六车道公路，下层布置四线铁路。大桥因而同时面对宽桥面、重荷载与列车运行平稳性的要求，设计不能仅以能否跨过江面为准。
三片主桁和三组斜拉索面
主桥采用两座倒Y形钢筋混凝土桥塔，桥面由钢桁梁承托，并设置三个斜拉索面。通常的两片主桁方案在这座宽桥上会造成很大的横向跨度；增加中间一片主桁后，铁路横梁的跨度缩短，重载可以由三个纵向结构共同承担。桥宽所带来的困难，由此转化成截面布置的选择。
高宗余的设计论文记载，主桁使用Q370qE钢材。公路桥面中部采用钢桥面板，两端部分则采用钢筋混凝土板，并让桥面板与主桁共同受力。端部较重的混凝土板还用于平衡结构作用，避免边部支座出现向上的拉力；材料选择同时服务于行车和整体受力。
把水上安装转为节段作业
主塔基础采用大直径钻孔桩和钢围堰。面对江流及水位变化，施工方需要先稳定水中作业平台，再开展基础工程。秦顺全的施工研究介绍了以锚墩帮助围堰定位的办法，说明深水基础施工既涉及承载，也涉及临时设施在流水中的控制。
钢桁梁若逐根杆件在桥上拼接，会留下大量高空装配和焊接工作。工程改用整节段吊装与局部散拼结合的方案，把更多组装工作移到工厂，先进行匹配，再将较完整的节段运往桥位安装。高宗余记载，最大节段吊重约650吨。工厂制造、运输和现场吊装必须据此配合，不能各自独立排工期。
设计分析与现场复核
中铁大桥系统的设计、施工团队是工程的主要参与者。中铁大桥勘测设计院的高宗余和中铁大桥局的秦顺全分别发表了设计与施工研究，呈现出材料、结构布置和安装工艺之间的联系。SYSTRA则作为外方咨询单位，参与详细分析、施工监督及验收相关工作。
SYSTRA的项目技术说明列出了铁路与公路荷载组合、整体结构分析、车辆作用下的动力分析，以及抗风和抗震分析。该机构还报告完成了约600份现场检查报告。对于一座同时承载多线铁路和公路的桥，计算复核与施工检查共同把设计要求落实到具体构件和安装过程。
合龙、试通车与正式启用
2008年9月10日，天兴洲大桥主桥合龙，随后继续进行桥面工程和通车准备。
武汉市公安局于2009年9月30日公告，天兴洲公路桥自10月1日上午8时起试通车，试通期间只准客车通过，货车和行人等不得通行。SYSTRA项目记录又把12月26日列为正式启用日期。因此，2009年的交通投用包含先试行开放、后正式启用的阶段。大桥的贡献也落在明确的交通组织上：新增铁路过江能力，并将两岸城市快速路连成连续通道。