La cúpula es la “cáscara” que recubrirá y protegerá al telescopio, la casa del caracol. Se trata de una estructura rotante fabricada en acero que, junto con la parte alta de la base del edificio, encerrará la cámara del telescopio.
La cúpula tiene forma de casquete esférico, con un diámetro de 34 m y una altura máxima de casi 26 m, equivalente a un edificio de 8 alturas. Se compone de un entramado de meridianos y paralelos en celosía que soporta una chapa esférica de cerramiento exterior así como la estructura soporte del aislamiento térmico interior. El conjunto, que tiene un peso de unas 500 toneladas, se apoya sobre un raíl en su base, de forma que es posible rotar toda la estructura alrededor de su eje de simetría vertical.
Con el objetivo de permitir la observación al telescopio, la cúpula del GTC incorpora una abertura de 13 m de ancho con 2 compuertas de observación móviles. Se trata de dos compuertas deslizantes, una superior, de mayor tamaño, que se deslizará siempre hacia la parte trasera de la cúpula y una más pequeña que se deslizará normalmente hacia la parte inferior, pero que podrá también deslizarse hacia arriba, de manera que permita observaciones cerca del horizonte.
La cúpula contará con unas ventanas que ayudarán a mantener una temperatura uniforme en el conjunto del telescopio y mantener una buena calidad de imagen.
Finalmente existirá un último componente móvil consistente en una pantalla antiviento metálica desplegable que, a modo de persiana, minimizará la acción del viento sobre el telescopio. Ésta se situará bajo la compuerta de observación de la cúpula.