Tháp được thiết kế bởi công ty Skidmore, Owings và Merrill, cũng chính là công ty thiết kế tháp Willis (trước đây là tháp Sears) ở Chicago và Trung tâm thương mại Thế giới Một ở thành phố New York. Burj Khalifa sử dụng thiết kế ống bao quanh như tòa tháp Willis, được phát minh bởi Fazlur Rahman Khan. Do hệ thống hình ống của nó, chỉ một nửa số lượng thép được sử dụng trong xây dựng so với Tòa nhà Empire State. Thiết kế này gợi nhớ đến tầm nhìn về kinh tế của Frank Lloyd Wright cho The Illinois, một tòa nhà chọc trời được thiết kế cho Chicago, cũng như Tháp Lake Point ở Chicago. Theo Strabala, Burj Khalifa được thiết kế dựa trên tòa tháp Tower Palace III, một tòa tháp dân cư ở Seoul. Trong kế hoạch ban đầu của nó, Burj Khalifa được dự định là tòa tháp dành riêng cho cư trú.

Tiếp theo thiết kế ban đầu của Skidmore, Owings và Merrill, Emaar Properties đã chọn Hyder Consulting làm kỹ sư giám sát và NORR Group Consultants International Ltd để giám sát kiến trúc của dự án. Vai trò của tư vấn Hyder là giám sát việc xây dựng, chứng nhận thiết kế của kiến trúc sư. Vai trò của NORR là giám sát của tất cả các thành phần kiến trúc bao gồm giám sát tại chỗ rong quá trình xây dựng và thiết kế bổ sung 6 tầng tổ hợp các tòa nhà phụ. NORR cũng chịu trách nhiệm về các bản vẽ tích hợp kiến trúc cho Khách sạn Armani trong tòa tháp. Emaar Properties cũng tham gia GHD, một công ty tư vấn đa ngành quốc tế, hoạt động như một cơ quan thẩm tra và kiểm tra độc lập cho bê tông và thép.

Thiết kế bắt nguồn từ kiến trúc Hồi giáo. Khi tháp bắt đầu nâng lên từ sa mạc, mô hình xoắn ốc làm tăng khoảng không của các sân hiên ngoài trời. Nó được sắp xếp và căn chỉnh theo cách giảm thiểu vận tốc gió càng nhiều càng tốt từ các dòng gió xoáy.

Trụ cột của Burj Khalifa bao gồm hơn 4.000 tấn thép. Ống đỉnh trung tâm nặng 350 tấn và có chiều cao 200 m. Ngọn tháp cũng có thiết bị liên lạc. Ngọn tháp cao 244 mét và rất ít không gian của nó có thể sử dụng được.

Trong năm 2009, các kiến ​​trúc sư đã thông báo rằng hơn 1.000 tác phẩm nghệ thuật sẽ tô điểm cho nội thất của Burj Khalifa, trong khi sảnh chính của Burj Khalifa sẽ trưng bày tác phẩm của Jaume Plensa.

Hệ thống ốp bao gồm 142.000 mét vuông của hơn 26.000 tấm kính phản quang và tấm kết cấu bằng thép không gỉ nhôm cùng kết cấu với vây hình ống thẳng đứng. Các tấm kính cung cấp hiệu suất năng lượng mặt trời và nhiệt cũng như là lá chắn chống chói cho mặt trời khu sa mạc, nhiệt độ khắc nghiệt kèm gió mạnh. Tấm tường rèm đặc trưng của Burj rộng 4,6 m dài 10,8 m và nặng khoảng 800 kg mỗi tấm.

Nhiệt độ bên ngoài ở phía trên cùng của tòa nhà được cho là lạnh hơn 6 °C so với nhiệt độ bên dưới của nó.

Armani Hotel gồm 304 phòng, chiếm 15 trong số 39 tầng khu dưới. Khách sạn được cho là sẽ mở cửa vào ngày 18 tháng 3 năm 2010, nhưng sau một vài lý do chậm trễ, nó cuối cùng đã mở cửa cho công chúng vào ngày 27 tháng 4 năm 2010. Các phòng hạng sang và văn phòng của công ty cũng được cho là sẽ mở cửa từ tháng 3 trở đi.

Các hồ bơi trong nhà nằm ở tầng 43 và 76. Hồ bơi ngoài trời nằm trên tầng 76 của tòa tháp. Các văn phòng công ty và dãy phòng chiếm hầu hết các tầng còn lại, ngoại trừ tầng 122, 123 và 124, nơi có nhà hàng At.mosphere, sảnh đợi ngoài trời và đài quan sát trong nhà cũng như ngoài trời. Vào tháng 1 năm 2010, dự kiến ​​Burj Khalifa có cư dân đầu tiên vào tháng 2 năm 2010.

Tòa nhà có 57 thang máy và 8 thang cuốn. Thang máy có sức chứa từ 12 đến 14 người, có vận tốc đến 10 m/s cho thang máy đôi. Tuy nhiên, thang máy đơn nhanh nhất thế giới vẫn thuộc về Taipei 101 với tốc độ 16,83 m/s. Các kỹ sư đã cân nhắc lắp đặt thang máy 3 ngăn đầu tiên trên thế giới, nhưng thiết kế cuối cùng vẫn là thang máy đôi. Thang máy đôi được trang bị các tính năng giải trí như màn hình LCD chiếu chương trình của các đài truyền hình khu vực cùng âm nhạc để phục vụ du khách trong suốt chuyến du lịch của họ tới đài quan sát. Tòa nhà có 2.909 bậc thang từ tầng trệt đến tầng 160.

Hệ thống ống nước

Hệ thống nước của Burj Khalifa cung cấp trung bình 946.000 lít nước mỗi ngày qua 100 km đường ống. Đường ống bổ sung dài 213 km phục vụ hệ thống cứu hỏa và 34 km cung cấp nước lạnh cho hệ thống điều hòa không khí. Hệ thống nước thải sử dụng lực hấp dẫn để xả nước từ các hệ thống ống nước, cống thoát nước, thiết bị cơ khí và nước mưa, đến cống thoát nước của thành phố.

Điều hòa nhiệt độ

Hệ thống điều hòa không khí hút không khí từ các tầng trên, nơi không khí mát và sạch hơn so với mặt đất. Tại thời điểm làm mát cao điểm, tháp giải nhiệt tương đương với 13.000 tấn băng tan trong một ngày hoặc khoảng 46 MW. Nước được lấy từ hệ thống thu gom ngưng tụ và được sử dụng để tưới cho công viên gần đó.

Làm sạch cửa sổ

Để làm sạch 24.348 cửa sổ, tổng cộng 120.000 mét vuông kính, tòa nhà có ba đường ray nằm ngang, mỗi cái chứa 1.500 kg máy. Phía trên cùng của tòa nhà được làm sạch bởi một đoàn người sử dụng dây thừng để hạ xuống từ đỉnh để lau chùi. Trong điều kiện bình thường, khi tất cả các đơn vị bảo trì xây dựng đang hoạt động, phải mất 36 công nhân mất 3-4 tháng để làm sạch toàn bộ bề mặt bên ngoài.

Máy không người lái làm sạch 27 tầng bổ sung và chóp kính. Hệ thống làm sạch được phát triển ở Melbourne, Úc với chi phí 8 triệu đô Úc. Hợp đồng cung cấp các máy làm sạch đã được công ty Úc CoxGomyl, một nhà sản xuất các vật dụng bảo trì xây dựng dành quyền cung cấp.