层楼加地下室的设计，入口设在中央，由入口步入大厅，展示室分列在大厅的左右两侧。中央大厅的建筑构造是钢筋混凝土，环列着三十二根巨大复合式柱式，其柱头装饰着毛茛叶，上头来有漩涡状装饰，透光的彩色玻璃天花板镶在圆顶下。外墙是希腊多立克柱式，配上罗马圆顶，优美的浮雕装饰，整座博物馆建筑是典型的文艺复兴式风格。<br>1991年至1996年，台博馆古蹟建筑由汉宝德主持的汉光建筑师事务所负责修复，将原本只有两层楼的顶楼以木桁架被虫蛀蚀损毁为由改为轻钢架，增加第三楼层三百多坪但不列入古蹟指定，引起古蹟修复争议。2002