Le musée possède sept galeries principales, une galerie pour les enfants, et une galerie réservée aux expositions temporaires disposée sur trois niveaux. Il a été dessiné par le bureau d'architecte « Denton Corker Marshall Pty Ltd », et a été construit par l'entreprise de travaux publics « Baulderstone Hornibrook » entre janvier 1997 et octobre 2000. La façade du Palais royal des expositions fut restaurée pendant ces travaux. Le musée est formé de plusieurs bâtiments reliés entre eux par des passages intérieurs et par des cours-terrasses extérieures. Ces bâtiments sont réalisés en béton armé soutenant des structures métalliques. Les installations comprennent des théâtres, des galeries, des salles d'exposition à l'architecture étonnante, des jardins intérieurs, un aménagement paysager à l'arrière des bâtiments, et un parking.
Les bâtiments du musée abritent, au rez-de-chaussée, la « Galerie de la science et de la vie » (Science and Life Gallery), le « Musée des enfants », le « Centre culturel aborigène », le Théâtre IMAX, la « Galerie de la forêt » et un café. Au niveau supérieur, on trouve le Sidney Myer Amphitheatre, la « Galerie du Corps et de l'Esprit » (Mind and Body Gallery) et la « Galerie de Melbourne », qui retrace l'histoire de la ville. Au niveau inférieur, se trouvent le « Discovery Centre », un centre de recherche ouvert au public, un théâtre, « The Age », de 214 places, la boutique du musée, et le « Touring Hall ». À l'extérieur, « l'Events Plaza » recouvre un parking souterrain de 900 places sur deux niveaux. Neuf ascenseurs, trois monte-charges réservés aux matériels des expositions, et quatre escalators, desservent les trois niveaux.
Le « Touring Hall » accueille les expositions temporaires. Il y eut ainsi une exposition sur les momies d'Égypte, et une autre, venant de Chine, sur les dinosaures. La « Big Box » fait partie de la galerie des enfants. Le théâtre IMAX appartient au complexe du musée. Il présente généralement des documentaires en format 3D.