El edificio, definido por líneas simples y puras, se levanta al abrigo de las murallas renacentistas que lo rodean, aunque sin superar jamás su altura. El proyecto arquitectónico del museo es especialmente respetuoso con el entorno patrimonial e histórico que lo alberga.

El edificio fue diseñado por el equipo de arquitectos integrado por los hermanos Jaime y Luís García Ruiz, Ángel Sánchez-Cantalejo y Vicente Tomás, y tiene una superficie total de 5.027 m², de los cuales 2.500 se destinan a espacios expositivos.

El museo está estructurado en tres plantas que se conectan mediante rampas, claraboyas y balconadas interiores, dando lugar a un juego de espacios y alturas que unen las plantas entre sí y con el exterior.

El museo se ofrece así como una prolongación natural de la ciudad y las calles que lo rodean. A medida que se pasea por las terrazas y los corredores, el visitante descubre el continuo diálogo entre el vanguardismo arquitectónico del nuevo edificio y la tradición histórica de la muralla que lo integra. De este modo, el edificio simboliza también su mediterraneidad, estableciendo una relación constante entre el interior y el exterior.