La charpente est un assemblage de 1 600 pièces entrecroisées sur plusieurs épaisseurs. Leur découpe a été effectuée à partir de la modélisation complète de la charpente. Les 8 500 m2 de structure bois prennent appui au sol sur quatre pieds et sont contreventés en tête au droit de la tour.
La forme du Centre Pompidou-Metz, c'est surtout la charpente en bois lamellé-collé tressée comme un chapeau chinois. Son montage a débuté fin mars 2009 et s'est achevé en juillet. La charpente est une nappe de bois de 8 500 m2 qui se termine en partie basse par quatre pieds et en partie haute par une encolure accrochée à la tour pivot assurant le contreventement. Sa structure se compose d'un tressage à trame hexagonale de près de 1 800 poutres courbes moisées de six couches interconnectées : soit pas moins de 18 km de planches lamellé-collé assemblées par quelque 7 000 connecteurs qui ont été nécessaires à la mise en œuvre de l'ouvrage.
De nombreux essais ont été réalisés en laboratoire en Suisse sur une section de la structure. Elle a ensuite été testée au vent à partir d'une maquette, à la soufflerie parisienne du CSTB. Les bois utilisés sont l'épicéa pour le « cannage » et le mélèze pour les « pieds de tulipe ». Ces bois sont tous issus d'exploitations forestières écogérées originaires d'Autriche, d'Allemagne et de Suisse. Des dizaines d'ingénieurs bois à travers le monde ont cherché comment réaliser en grand ce qui paraissait à première vue si simple. L'architecte Jean de Gastines, qui appelle cet ensemble « la robe », rappelle que l'ingénieur bois Hermann Blumer est à l'origine de l'ensemble des solutions qui non seulement ont rendu cette structure réalisable, mais ont aussi traduit la volonté de fluidité, légèreté et translucidité recherchées par les architectes. Pour son assemblage, Holzbau-Amann a mobilisé une quinzaine d'ouvriers sur chantier. Pièce après pièce, la charpente s'est élevée, courbée et a enveloppé les galeries d'expositions telle une nappe à motif hexagonal. L'étanchéité de la toiture est obtenue par une membrane constituée de fibres de verre recouvertes de téflon et de dioxyde de titane photocatalytique. Ce dernier qui confère à la membrane sa propriété autonettoyante décompose les salissures sous l'action du soleil, les rendant faciles à évacuer sous l'action de la pluie. À partir de trames d'environ 6 et 9 m de largeur, des portions de membrane sont formées sur une longueur pouvant atteindre 85 m. Précontraintes, elles sont soudées en usine au Japon à partir de lés de 3,80 m et finies en ourlets prêts à recevoir des cordes en nylon. Sur le chantier, ces ourlets à cordes ont été introduits dans les profilés à fente en aluminium qui ont servi à tendre chaque membrane sur la structure en bois. Les écarts laissés entre ces facettes ont été fermés par des couvre-joints du même matériau, appliqués par soudure lors de la pose, afin de retrouver une surface étanche.
