Bag museets originale bygning er et palæ fra det tidlige 19. århundrede, der ejes af samlingens grundlægger, samler Wilhelm Hansen, et strømlinet sort betonvolumen. Den nye fløj huser en glaseret vestibule, der er fælles for nye og gamle haller, samt 1150 kvm. m brugbart areal, hvilket var påkrævet ved tildelingen af arkitektkonkurrencen, der blev afholdt i 2001. Heraf er 500 kvm. m er besat af gallerier til midlertidige udstillinger og permanente udstillinger, 220 kvm. m - en café og en multifunktionel hal, resten - ved korridorer og en foyer.
Inspirationskilden for arkitekten var hovedtemaet for dansk maleri fra det 19. århundrede - lyseffekter i landskabet og i det indre.
Museets samling vises i semi-underjordiske rum, hvis vægge er malet i gråt - så Hadid opfyldte kravet fra kunder, der ønskede at beskytte malerierne mod de skadelige virkninger af sollys. Det er også et udtryk for mørkets motiv, som latent findes selv i samlingens mest optimistiske lærreder. Den eneste lyskilde i disse rum er den frostede rude på taget.
West Hall fungerer også som en forbindelseskorridor med anden sal i den gamle bygning, og denne passage er ikke visuelt markeret med vilje.
Den multifunktionelle hal og café er placeret i værelser med solid vindue: et forsøg på at fusionere bygningen med det maleriske landskab i den omgivende park demonstreres særligt levende der.
