Fra efteråret 1959 var det rådgivende ingeniørfirma Chr. Ostenfeld & W. Jønson (det senere COWI) med som tekniske rådgivere i forarbejdet omkring en ny bro over Lillebælt. Dette selskab kom således til i mere end 10 år at beskæftige sig med Lillebæltsbroen, fra 1965 til 1970 som tilsynsførende ingeniørfirma for bygherren.
Da Folketinget i 1962 vedtog loven om brobyggeriet, fik firmaet opgaven med at udarbejde detailprojektet, da de var fremkommet med den bedste løsning. Som Danmarks første hængebro vakte projektet stor opmærksomhed. Også på grund af anlægsudgifterne, der blev budgetteret til at udgøre 130 mio. kr. Budgettet holdt dog ikke.
Hængebroen skulle projekteres til at bære en samlet vægt på 220.000 tons med kørende belastning. På Lillebælt skulle den bæres af to sænkekasser, som hver skulle bære en vægt på 40.000 tons. Det tog lang tid at gennemføre tilfredsstillende boreundersøgelser, før Geodætisk Institut gav grønt lys for fremgangsmåden ved pilotteringen af den nye hængebro. Der skulle rammes 210 pæle 30 meter ned under hver sænkekasse, som efterfølgende skulle udstøbes med 2.2000 kubikmeter beton.
Ud over selve broen består konstruktionen af tilkørselsramper og viaduktfag. Den samlede brolængde blev på 1.700 meter, hvoraf brobanen udgør 1.080 meter. Heraf er hovedfaget 600 m, mens de to sidefag hver er på 240 m. Forbipasserende skibe har en frihøjde på 42 meter. Lillebælt er i brolinjen på det dybeste sted 45 meter, mens de to hovedtårne hver står på 20 m vanddybde.
Ostenfeld & Jønson samarbejdede med arkitektfirmaet Hvidt & Mølgaard og landskabsarkitekt Morten Klint om den arkitektoniske fremtoning. Broprincippet i sig selv var en traditionel løsning med to tårne og brospænd ophængt i kabler. Derimellem spænder broen sig ud i aerodynamiske sektioner, der i kraft af deres flyvingeformede tværsnit giver broen sin overlegne lethed.
Arkitekterne udvirkede, at hængekablerne krydsede vejbanerne over to sidetårne og ned i skrænterne, hvor de blev forankret i nedgravede ankerblokke. Oprindeligt havde man påtænkt at lade to ankerblokke opføre i selve broen, men med den valgte løsning ser det arkitektonisk ud som om, broen er tilkoblet de to landskaber, den spænder imellem.
Arkitekterne fik også indflydelse på landpillerne, der oprindeligt var påtænkt opført som en skov af søjler. I stedet valgte man en løsning, hvor viadukterne hviler på nogle få søjler med bølgeformet tværsnit til at bære brobanerne. Dermed kommer man til at fornemme det omkringliggende landskab gennem viadukten.
For at understøtte det æstetiske udtryk valgte man at at lade den færdige bro belyse om natten. Broens hovedkonturer understreges af en effektfuld belysning, som understreger broens spænd og omskaber den til en mejslet lysskulptur.
Broens udformning blev fulgt med interesse i datiden. En journalist skrev, at forslaget var et sublimt udtryk for en bevægelsesrytmik, der mere end noget andet bygningsværk udtrykte noget centralt om samtiden. Han kaldte det brugsarkitektur med uomtvistelige skulpturelle kvaliteter. Disse ord vil forbipasserende i dag sikkert fortsat give ham ret i, for hvad enten man ser broen fra luften, kysterne eller som bilist på vej over Lillebælt, har denne bro en langt mere homogen karakter end så mange andre af datidens brobyggerier. Broen har en skønhed, som udtrykkes både i dens udformning og funktion. Og det er også en smuk bro at passere som bilist. Man bliver løftet op fra motorvejen på brohovedet, båret over vandet og sænket ned igen på den modsatte bred i en kæderække af smukke oplevelser.