由单向板铺叠固化而成的层压结构是目前复合材料的主要形式，单向板呈现强烈的正交异性（沿纤维方向的纤维和垂直于纤维方向的性能差别很大），可以在不同的方向铺设不同比例的单向板，以满足结构平面内所需方向性能的要求。设计出的复合材料可以是各向同性，也可以是各向异性，可以是对称平衡，也可以是非对称平衡。这给了设计人员更为自由的设计空间，使设计人员实现过去用各向同性的金属材料无法实现的梦想。利用碳纤维复合材料的低密度进行等价设计实现减重目标，是早期的复合材料结构设计方法，远远不能发挥复合材料的优势。当然各向异性也给结构设计、分析和制造增加了困难。
复合材料结构设计分为相互关联的两个层次，即复合材料设计（相当于材料设计）和结构设计，前者主要是设计复合材料本身性能，例如在复合材料的强度、刚度及膨胀系数等，后者是设计制件结构的性能，例如结构的扭转刚度、稳定性和振动等。
复合材料结构设计主要通过结构选材、确定设计许用值（许用值：在一定载荷类型和环境下，主要由试样试验数据，按着规定要求统计分析后确定的，具有一定置信度和可靠性的材料性能表征值。设计许用值：为保证整个结构的完整性，根据具体工程项目要求，在材料许用值和代表结构典型试样、元件、典型结构件试验结果及设计与使用经验基础上确定的设计限制值。）、结构选型和结构细节设计、工艺筛选、质量保证以及采用验证试验等措施来实现。复合材料结构的设计步骤主要有以下几个部分。
1）结构选材除了考虑基本性能、工艺性和成本因素外，根据部件的设计要求，主要需要考虑材料体系的韧性（如冲击后压缩强度和损伤阻抗等）和最高使用温度等环境因素。
2）确定设计许用值采用所需结构件的典型铺层和厚度，通过试验确定设计许用值。重点是确定铺层层压板试样的冲击后压缩破坏应变、开孔拉伸破坏应变及连接许用值，同时应考虑湿热影响和分散性等，必要时还应该给出有关的疲劳性能和动态性能。由于通常认为复合材料结构中的缺陷是无法避免的，而且初始缺陷对结构强度有严重的影响，即使是用于静强度校核的设计许用值也必须考虑初始缺陷的影响。
3）根据结构设计要求进行结构选型和细节设计，包括外形和外部载荷等，选择适当的结构形式。必要时，要进行结构选型试验，以确定最佳的结构形式，对关键部位应该考虑抵抗外载的能力。
4）典型结构件和含结构件关键特性的组合件验证试验应该从简单到复杂，通过积木式验证试验方法，分阶段验证所选择的关键部位结构形式能满足规定的设计要求。
5）全尺寸部件的验证试验，验证结构部件是否满足结构完整要求。
复合材料结构设计除满足金属结构设计要求外，还应该满足下列要求：
1）应该尽可能利用共固化、缝合或胶结等技术减少结构零件数和减少应力集中源，并尽可能设计成整体构件，以发挥复合材料的优越性。
2）应该尽可能避免使用复合材料结构承受面外载荷，特别是由于偏心或结构变形引起的二次应力而产生的面外载荷。
3）应该充分考虑制造和检测时的方便性。如果没有可靠的检测方法，在设计时必须假设存在较大的缺陷/损伤尺寸。
4）应该考虑环境对性能的影响，主要包括湿、热和使用中可能遇到的冲击载荷。
5）在整个结构设计过程中应始终贯彻低成本设计原则。
材料设计通常指选用几组材料复合支撑具有预期性能的复合材料的过程。对于层合板、层合壳一类的层合复合材料结构，铺层是结构的基本单元，铺层设计可视为材料设计；而将板和壳的设计列入到结构设计中。对于碳纤维复合材料，在选择材料组分时，不仅要选择用什么型号的碳纤维，而且要选择它的粗细，要确定配套树脂的型号等。
材料设计时主要按几个方面设计，一是按着刚度要求进行设计，就是要设计出的复合材料在刚度上满足使用要求，对于纺织类复合材料，如碳纤维布等，由组分材料性能、体积比得到复合材料性能的解析解是困难的。而对于单向纤维增强的单向板来说，其设计方法就相对简单；二是按强度要求进行设计，与按着刚度要求进行设计类似，使用已知性能材料制造具有所需强度复合材料的工作，首先应确定强度是否在复合材料所能达到的范围之内。这个范围就是对纤维与基体材料强度的要求范围。但是由于强度问题很复杂，例如，复合材料的强度与组分材料的基本性能、细微观结构、俗尚机理及演化形式、失效模式、加载途径等因素有关，因而这一领域的研究进展十分缓慢。从组分材料特性与细微观结构参数计算单向板强度的理论，目前仅限于纤维方向的抗拉与抗压强度。
层合板设计的任务就是根据单向板的性能确定层合板中铺层的取向，各铺层的铺设次序，个定向铺层相对于总层合数的百分比和总层数等。由于层合板力学行为的复杂性，目前层合板一般都设计成对称层合板，且是铺设方向均衡的对称层合板。又鉴于铺设方向过多所带来的复杂性，一般铺层的铺设方向限于选择0 度,90 度，和正负45 度方向。若要设计成准各向同性层合板，可采用[0/60/120]s 或[0/45/-45/90]s层合板。
铺层的铺设方向一般依据层合板所承受的载荷来确定。通常，0度的铺层来承受轴向载荷，正负45度铺层承受剪切载荷，90度铺层承受横向载荷和控制泊松比。