牽牛子塚古墳が古代の土木建築において突出している点は、墳丘の外観だけではありません。内部に納められた横口式石槨（石室）は、日本の古墳史上でも類を見ない超人的な石工技術の結晶です。
石室は、重量推定130トンを超える巨大な凝灰岩の一塊を山から切り出し、内側を丹念にくり抜いて造られています。内部は中央に厚さ数十センチの仕切り壁が削り残され、左右並列の「2つの部屋」に分割されているのが最大の特徴です。それぞれの部屋の規模は長さ約2.1メートル、幅約1メートルで、天井は美しいアーチを描くドーム状に削り出されています。床面には棺を据えるための浅い窪みと、遺体の腐敗液や湿気を逃すための精緻な排水溝が彫り込まれていました。
重機も電動工具も存在しない7世紀後半に、これほど硬質な巨石を誤差なくくり抜き、平滑に磨き上げる作業がどれほどの労力を要したかは想像を絶します。当時、この地域に集結していた渡来系技術者集団の高度な測量・切削技術が惜しみなく投入されたことは明白です。そして、最初から「2人を等しく横並びで埋葬する」ことを前提として設計されたこの二室構造こそ、斉明天皇と間人皇女の母娘合葬を裏付ける何よりの物理的証拠となっています。
