Construído de forma longitudinal de Norte para Sul, o edifício apresenta um corpo central que se divide em duas alas, separadas por um pátio, dando origem a uma estrutura em U e a uma construção em forma de L, entre esta e o edifício principal formando-se um segundo pátio que serve de acesso principal ao Museu e que se encontra ligado ao parque de estacionamento subterrâneo e ao jardim.

O Museu dispõe de 14 salas de exposições distribuídas por três pisos. No piso superior encontram-se o restaurante, a Sala do Serviço Educativo e a Sala Multiusos. Da esplanada que se estende a partir do restaurante o visitante tem uma vista ampla sobre o Parque de Serralves. O piso da entrada dá acesso às salas de exposição e à livraria. O piso inferior alberga salas de exposição, a Biblioteca, o Auditório e uma cafetaria. O acesso a estes espaços a partir da entrada do Museu é facilitado por um átrio quadrado situado ao lado da receção, complementado por um bengaleiro e balcão de informação.

A disposição fluida dos espaços do Museu proporciona aos visitantes múltiplos itinerários e pontos de vista em consonância com o sempre renovado programa de exposições e atividades com estas relacionadas. A sucessão de perspetivas longas sobre o interior do edifício e o exterior, sob a forma de "rotas de fuga” para os jardins, caracteriza a arquitetura. No interior, a iluminação artificial combina-se com a luz natural.

A estrutura do edifício é composta de betão e aço, com revestimento exterior de granito e reboco pintado. Na cobertura do edifício foram usados materiais de origem local. No interior, o chão é de carvalho e mármore, as paredes e os tetos, de gesso e estuque pintado. A altura dos tetos varia entre 2,88 e 9,50 metros (média de 6,20 metros).