Việc thiết kế và thi công nhà chọc trời liên quan tới việc đảm bảo an toàn và không gian sống cho người sử dụng trong một công trình có chiều cao rất lớn. Công trình cần chống đỡ những tải trọng như trọng lượng bản thân, gió, động đất và bảo vệ người sử dụng khi hoả hoạn. Ngoài ra, thiết kế nhà chọc trời còn phải đảm bảo thuận tiện trong việc ra vào, ngay cả trên những tầng cao nhất, và cung cấp các dịch vụ cũng như môi trường sống tiện nghi cho người sử dụng. Những vấn đề nảy sinh và cần giải quyết trong việc thiết kế và thi công nhà chọc trời được xếp vào hàng phức tạp nhất trong kỹ thuật xây dựng, đòi hỏi sự kết hợp và cân bằng giữa các yếu tố kinh tế, kỹ thuật và quản lý xây dựng.

Một đặc trưng của nhà cao tầng đó là sử dụng kết cấu khung thép cùng hệ vách (curtain wall), thay vì kết cấu tường chịu lực (load-bearing walls) như những công trình truyền thống. Việc sử dụng kết cấu khung thép giúp các công trình được xây cao hơn so với tường chịu lực bằng bê tông gia cường. So với nhà truyền thống, trên cùng một mặt bằng, hệ thống tường của nhà chọc trời luôn chiếm diện tích nhỏ hơn. Do không phải tham gia vào việc chịu lực nên rất nhiều công trình nhà chọc trời lựa chọn kính làm vật liệu cho hệ thống tường bao thay vì gạch hay bê tông như truyền thống.

Theo thời gian, với những công trình có chiều cao ngày càng lớn, kết cấu khung thép trở nên kém hiệu quả và đắt đỏ do diện tích sàn sử dụng bị cắt giảm bởi các cột chống phải càng lớn và do việc sử dụng quá nhiều thép làm tăng chi phí công trình.[9] Từ những năm 1960, kết cấu dạng ống ra đời đã giải quyết vấn đề này. Lượng thép sử dụng giảm mạnh (Tháp Willis sử dụng lượng thép bằng một phần ba so với Toà nhà Đế chế) giúp đạt hiệu quả lớn về mặt kinh tế, cho phép các công trình được xây dựng ngày càng cao hơn. Kết cấu dạng ống cũng sử dụng các cột chống nhỏ hơn giúp tăng diện tích sử dụng sàn. Ngoài ra nó còn cho phép các công trình được thiết kế theo nhiều hình dạng phong phú hơn.

Thang máy cũng là một trong những đặc trưng trong thiết kế nhà chọc trời. Năm 1852, Elisha Otis giới thiệu một loại thang máy an toàn, cho phép di chuyển người một cách tiện lợi và nhanh chóng lên các tầng cao hơn. Sự phát triển của hệ thống thang máy cũng đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển của nhà chọc trời.

Nhưng những ngôi nhà chọc trời cũng có các nhược điểm của nó: các tường kính từ 6 đến 12 mm thu và tỏa nhiệt gấp trên 10 lần so với tường gạch có lớp cách nhiệt. Ở các xứ lạnh thì phải làm hệ thống sưởi điện làm tan băng bám tấm kính để băng khỏi rơi vào đầu người đi dưới đường. Dưới chân nhà chọc trời thường có gió xoáy, gọi là hội chứng Mery Poppins rất nguy hiểm. Ngoài ra, để chống dao động các nhà chọc trời cần có các thiết bị giảm dao động rất đắt (3 triệu đôla đối với Tòa nhà John Hancock).