2010年9月6日开工建设的市体育中心傍水而建、环境优美，位于御东中心区，临近文瀛湖，由澳大利亚POPULOUS安德鲁和中建（北京）国际设计顾问有限公司合作设计，中国建筑第八工程局承建。项目总投资为12亿多元人民币，实际用地646亩，总建筑面积10.17万平方米，由体育场、体育馆、游泳馆及综合训练馆4个主体建筑组成，主要用于举办地区性和全国单项比赛。体育中心的建成将有效缓解我市大型体育设施不足、训练场地缺乏的现状。
大同体育中心的设计灵感来自于黄土高原令人震撼的自然风貌，每个主要单体都体现有力和雄伟，显示东面的太行山，西面的吕梁山，北面的恒山和五台山的独特风格，反映了大同在多个朝代作为军事要地的历史，以及现代化的大同在矿业和金融业中扮演的重要经济角色。
体育场丰富的层次感好像云冈石窟的格局和韵律，反映了中国北方历史上多元文化和多民族融合的和谐特色。体育场总座位约3万个，主要分四层，其中地下层为赛场、运动员设施、室内训练场和射击场，以及其他营运、仓储、设备等后场功能空间；第一层为平台层，是观众的主入口层以及下层看台层；第二层为官员/体校层，含包厢和技术室，平时可作为体校教室。第三层是上层看台层，包括半开放式观众大厅和观众设施。体育馆的建筑外形融入了运动员身体力量和优美动感的理念，地上2层，地下一层，可容纳约8000席的观众区。
游泳馆的设计概念主要强调水中游泳运动员的有力动作，自然的游泳姿势，以及运动员肌肉的力量和清晰的轮廓。游泳馆地上3层、地下一层，可容纳1500个固定座席和1000个临时座席。
POPULOUS是一家全球性建筑设计事务所，提供的综合性设计服务已成为业界独树一帜的品牌，在全世界完成的项目达1000个之多。像2014年仁川亚运会主体育场、2010年南非世界杯足球城体育场等知名体育场馆都是该公司设计的。在我市体育中心的设计中，POP公司对建筑体材质和表面处理别具匠心，将粗犷、泥土气息和坚实的材质，使用在观众和游客能在地面就触摸到的地方；将光滑、有雕塑性和视觉表现力强的材质，使用在建筑物上方，融入在整个都市的大背景、大环境中，使人们被建筑体吸引并发生情感联系，即使在非赛季，我市的体育中心也是市民健身、休闲的好去处。
训练馆设计中充分考虑到运动员水平和垂直的流畅姿态，只有地上2层，无固定坐席，训练中心场地位于地面层，可直接由北侧入口进入，或从平台层南侧入口进出。场地除供体校学生训练外，也供大众进行各类体育健身活动。
