Situado bajo el desplome de la muralla que mira al Duero, el museo se presenta a la ciudad como un cofre que contiene sus joyas y su memoria. Su perfil cúbico y rotundo, encajado en medio de una manzana en pendiente, renuncia a la composición académica axial acomodándose a los edificios existentes. La cota de acceso se encuentra en un nivel intermedio que determina la organización del programa: por debajo se ubican los almacenes y aquellas actividades que se desarrollan con el museo cerrado mientras que en las plantas superiores se sitúan las salas de exposición, iluminadas cenitalmente y conectadas mediante un recorrido en espiral configurado por una rampa de doble tramo. El edificio se ha construído con muros y losas de hormigón blanco; la fachada de piedra arenisca presenta un despiece de pequeños sillares sujetos mediante anclajes de acero inoxidable.
