卢沟桥采用纵连式的砌拱法，各拱相连，整个拱券成为一个紧密的整体。
桥体的局部设计，也是独具匠心。中心桥孔及其东西两桥孔的拱顶南北两面龙门石上，刻有精美的吸水兽，质地类似于大理石，既有压制洪水的寓意，又是很好的装饰物。其中，中心桥孔和西五孔龙门石上的吸水兽，据专家考证是金代的原物。
在桥的结构、桥墩及拱券的各个部分，石与石之间，都用带棱的腰铁和铁拉件紧紧连接在一起，增强了砌石之间的牢固性。这种在砌石之间使用腰铁和铁件的方法，曾在建于隋代的赵州桥上使用。乾隆五十一年（1786年）的《重葺卢沟桥记》称赞了这一方法：“石工鳞砌，锢以铁钉，坚固莫比。”
卢沟桥的桥面也十分讲究，分为河身桥面和雁翅桥面两部分。河身桥面长213.5米，宽7.5米，如果包括栏杆地袱和仰天石在内，共宽9.3米。桥面中央较东西两端稍高，约成千分之八的坡度，坡势平缓，宜于通行。桥两端雁翅桥面呈喇叭口形状，斜长28.2米，最初入口处宽32米多，坡度较大，上下高差近2.1米，约为千分之三十五的坡度。这样的桥面，通行顺畅且威严壮观，集美观与实用于一身。
卢沟桥的桥面用巨大的块石铺砌，中间部分稍微高于两侧的桥面，便于积水从桥面两侧排出，使得桥面石不至于长时间被雨水浸泡。而固定桥面石栏杆的，是伏石铁柱，它们把石栏杆和桥面牢牢连在一起。
正所谓“拱券相衔跨两堤，铁锭锁石连桥面”。
此桥真神也
卢沟桥虽结构坚固，但长时期经受洪水冲击、风雨侵袭，桥面和栏杆等处也会有损坏，历代的修缮在所难免。
金、元时修缮卢沟桥的记录已不可寻。明以降，卢沟桥的修缮都有史书记载。
明永乐十年（1412年）七月，永定河水涨，“坏桥及堤”，朝廷下令工部维修。此后的1444年、1490年、1541年、1555年、1556年，卢沟桥都有修缮。
清康熙元年（1662年），卢沟桥小修。1668年，一场洪水过后，“桥之东北水啮而圮者十有二丈”，朝廷花了8万多两银子，“挑浚以疏水势，复架以通行人，然后庀石为梁，整顿如旧”。
3年之后，1671年的一天，卢沟桥上，比利时人南怀仁踱步观察，眉头紧锁。
作为深受康熙帝器重的来华传教士、钦天监（官署名，掌观察天象、推算节气、制定历法）监正，南怀仁接手了一个颇为棘手的任务：顺治帝的孝陵在河北遵化清东陵，这一年，孝陵石牌坊营建工程开工，要建石牌坊、神功圣德碑亭、华表、石像等，需要大批石料。这些石料均采自北京房山境内的西山大石窝，其中六根巨大石柱，每根重达十余万斤。大石窝距孝陵四百多里，运送石料必须经过卢沟桥。十余万斤重的石料，如何在不给卢沟桥带来破坏的情况下安然过桥？
此前，有关方面提出了两个方案：其一，加固桥墩，从桥上过；其二，从桥下过。
从桥上过，需要300匹马拉。且不说十余万斤的巨石对桥的影响，单是这300匹马有节奏的震动，桥就受不了。而从桥下运石过河，其难度和花费之大，可想而知。
面对这两个方案，康熙帝虽出于保护卢沟桥的考虑，更倾向于从桥下过，却也一时难以决断。举棋不定间，康熙想到了他的科学启蒙老师——南怀仁，让他出马解决此难题。
南怀仁到了卢沟桥，观察桥身和周边地形，苦思对策。
经过多次现场考察，南怀仁提出了用滑轮组加绞盘牵引石料过桥的方法，不用马匹，也不用临时搭桥。所谓绞盘就是一个竖向木轴，轴的上端穿上两根横向成十字的木杠，木轴转动，一头连接重物的绳子通过滑轮组，缠绕到了木轴上，拉重物相对省力。这一新方案得到康熙帝首肯。
南怀仁派人在卢沟桥两端准备了多组滑轮组和多组绞盘，每组绞盘安排12名壮汉负责推转。采自大石窝的一根巨大石柱放置在16轮的车上，三天时间内，用数百匹马将它拉到了卢沟桥桥头。
1671年阴历十月初九日，卢沟桥桥头，工部尚书等数百人站在南怀仁身后，屏住呼吸，瞪大眼睛，看大石柱试过桥。
南怀仁一声令下，数组绞盘由壮汉们像推碾磨一样慢慢推转，绳子通过滑轮组，牵引载着巨石的车缓缓开动，上了桥。所有人的心都悬起来了。
南怀仁指挥壮汉们继续推转绞盘，绳子拉着车稳稳前行。车轮下的桥面发出闷响。桥身微颤。
车下桥时，桥另一侧的绞盘推转，用绳子往后拽车，保证了车子的平稳。
最终，在人们的叫好声中，载运巨石的车顺利过桥。卢沟桥安然无恙。
此后，孝陵工程所需其他石料，陆续以同样方式安全地运过了卢沟桥。世人皆赞，此桥真神也。
“浑流巨浪，势不可当，是桥经数百年而弗动，非古人用意精而建基固，则此桥必不能至今存。然非拆其表而观其里，亦不能知古人措意之精、用工之细如是亟也。”乾隆五十一年（1786年），乾隆帝在《重葺卢沟桥记》中如是感叹卢沟桥之神。
经过雍正十年（1732年）重修桥面、乾隆十七年（1752年）重修券面和狮柱石栏之后，1786年的这次修缮，原拟大加拆砌重建，但拆除桥面后，发现原来的工程十分坚固，“实不易拆，且既拆亦必不能如旧之坚固也”，“因只令重葺，新石面，复旧观”。
1908年，光绪帝殁，葬于河北易县清西陵。殡葬队伍须过卢沟桥。由于桥面窄，通过不便，只好将桥两旁的石栏临时拆除，在两侧添搭木桥，铺上黄土，以便使棺椁顺利通过。事后，又将石栏照原样恢复。
民国年间，卢沟桥未做大的修缮，仅个别地方添配了栏柱和石狮。
新中国成立后，卢沟桥的桥面加铺了柏油，修葺了桥上的碑亭及石栏、石狮。1967年，有关部门为解决当时的交通问题，在卢沟桥的南北两侧用钢筋水泥过梁悬空展宽了1.5米作为人行道，建了59道混凝土挑梁，将栏板及石狮望柱设置在悬空的过梁两边。
1975年，昔日南怀仁面临的难题又出现了：位于房山区的燕山石化公司从国外进口了一个429吨重的机械构件，装载在超限大件平板车上，从天津港运来，要运到房山，必须经过卢沟桥。429吨的重荷，会压垮这座古桥吗？
有关部门事先在卢沟桥做了一个负荷测试。曾参与这一测试的孔庆普记得，当时采取的办法是在载重车上装上钢锭，在桥下边测试下挠量。载重车上的钢锭一次次加载，最后加载到了430吨。
最关键的时刻到了，人们的心都提到了嗓子眼。他们惊喜地看到，测试数据在允许范围内。
超限大件平板车过桥时，孔庆普一挥手里绿色的旗子，牵引车拉着拖车徐徐开动，以每小时5公里的速度缓缓前行。桥身微颤。
车子安然过桥后，记者们相机的快门声响成一片。
1985年夏，运往燕山石化公司的4辆各载250吨大型机电设备的超限大件平板车，又不得不通过卢沟桥。
有关部门在桥上安装了监测仪器，在一些容易出问题的点面还贴了纸条。4辆超限大件平板车依次过桥后，纸条没有撕裂，仪器指示桥身没有移动，一切正常。卢沟桥安然无恙。
人们感叹：老祖宗为我们留下了一座多么结实的桥啊！
1986年，再现古桥历史原貌的修复工程启动，拆除了1967年时加宽的步道和混凝土挑梁，加固和归位了原石栏、望柱，清除了沥青，恢复了桥面。
1988年至1992年，有关部门全面整修了桥券、桥墩，还对古桥望柱、栏板、地袱、桥面、华表、石碑等处实施了防风化、防渗漏的保护措施。
今天，人们走上卢沟桥，一眼可见桥中间一段材质不同、坑坑洼洼的古旧石块，它们是修复工程中特意保留下来的原来的桥面石。
那些凹凸不平的车辙，引人遐想卢沟桥当年的繁忙景象。那些在阳光下展开皱纹的石块，沉默的石块，像翻开的历史书页，供人细细品读。
“北京西南的永定河上有一座石头桥，那就是举世闻名的卢沟桥。它又叫狮子桥。桥两边的石柱上，都雕刻着栩栩如生的石狮子，就像一个石狮子展览馆。”小学语文课堂上，孩子们朗读着课文《卢沟桥的狮子》。
多少年来，这朗读声中，多少孩子不由自主地进入了卢沟桥的世界！“卢沟桥的狮子大小不一，形态各异，很不容易数清楚。民间有一句歇后语：
‘卢沟桥的狮子——数不清。’”孩子们的朗读声里，有一种油然而生的向往。朗读完课文，总有孩子问老师：卢沟桥的狮子真有那么美、那么神奇吗？