Дворец получился необычным и современным. Чтобы вписать здание в существующее природное окружение, его построили в некотором отдалении от дороги и под углом к ней. Композиционно здание было решено в виде серии павильонов, асимметрично отходящих от общей галереи, что в совокупности с остеклением стен сделало его визуально лёгким. Монументально-декоративное оформление дворца было разнообразно: фасады украсили рельефами и панно «Вода», «Земля» и «Небо», символизирующими покорение стихий человеком, интерьеры — росписью. На парадной площади перед дворцом вокруг 55 метрового флагштока оставили естественный газон, разбитый сетью дорожек из белого камня. В проекте Дворца пионеров архитекторы неоднократно обращались к иностранному опыту: принцип компоновки здания был подсмотрен у павильонов Голландии и ФРГ на Всемирной выставке 1958 года в Брюсселе, мощение главной площади было подобрано под впечатлением от поездки в Италию, обшитый деревом волнистый потолок зрительного зала созвучен работам Аалто, а стеклянные купола зимнего сада аналогичны конструкции Ричарда Фуллера и появились в проекте после Американской выставки в Сокольниках 1959 года. Были и оригинальные конструктивные решения: например, использование кессонных перекрытий в наклонных потолках. За право молодых архитекторов на новаторство в ходе проекта выступал главный архитектор Москвы Иосиф Ловейко, и итоговый результат был высоко оценён: в 1967 году архитекторы были удостоены впервые вручённой Государственной премии РСФСР в области архитектуры.