Bài thơ có kết cấu bốn đoạn:

- Đoạn 1 (từ “Sông Mã xa rồi Tây Tiến ơi!” đến “Mai Châu mùa em thơm nếp xôi”): Qua nỗi nhớ của tác giả hiện lên cảnh thiên nhiên Tây Bắc hùng vĩ, dữ dội và hình ảnh đoàn quân Tây Tiến với những cuộc hành quân gian khổ nhưng thắm thiết tình quân dân.

- Đoạn 2 (từ “Doanh trại bừng lên hội đuốc hoa” đến “Trôi dòng nước lũ hoa đong đưa”): Những kỉ niệm tuyệt đẹp về tình quân dân trong đêm liên hoan văn nghệ và vẻ đẹp thơ mộng của cảnh sông nước Tây Bắc.

- Đoạn 3 (từ “Tây Tiến đoàn binh không mọc tóc” đến “Sông Mã gầm lên khúc độc hành”): Trực tiếp tập trung khắc hoạ hình tượng người lính với vẻ đẹp lãng mạn và bị tráng.

- Đoạn kết (từ “Tây Tiến người đi không hẹn ước” đến “Hồn về Sầm Nứa chẳng về xuôi”): Nhớ lại lời thề trước buổi lên đường, dù xa đơn vị vẫn gửi lòng mình mãi gắn bó với Tây Tiến, với miền Tây.

Kết cấu bài thơ như gợi lên những đợt sóng tình cảm tiếp nối: trào dâng ở đoạn I, nhẹ nhàng, lắng đọng ở đoạn 2, tiếp tục tuôn trào, mạnh mẽ ở đoạn 3 để rồi sâu lắng ở đoạn kết.