1947年、記念公園のメインになる建物のデザインを決めるため、市民の代表者たちが全米に公募を行なった。その結果、ダン・カイリーとフィンランドの建築家、エーロ・サーリネンのアーチ案が最終的に選ばれた。当初の案では、ミシシッピ川の河岸に立てられるこのアーチは高さ180mのカテナリー曲線状のものとなる予定であった。しかしその後15年にわたる計画の見直しで、アーチの高さと幅はそれぞれ12mずつ高く、広くなった。サーリネンの案が選ばれたとき、最初は父のエリエル・サーリネンが受賞したと告げられた。サーリネン一家はシャンパンを開けてエリエルの受賞祝いを始めた。その2時間後、主催者は受賞したのは息子のエーロのほうであると告げた。エリエルは2本目のシャンパンを開け、息子の成功を祝った。サーリネンは構造家ハンスカール・バンデル（Hannskarl Bandel）の助力を得てアーチの設計を進めていった。設計においてサーリネンは、アーチを単純な逆カテナリー曲線ではなく、頂点に向かうほど細長く伸び、厚みが薄くなっていくというものにした。 こうすることにより、わずかに遠近感を出してアーチが高くそびえたっているように見せる効果を狙うとともに、地表に近いほうにより重量を配分してアーチを構造的に安定させた。しかしサーリネンは1961年、脳腫瘍によりアーチの完成を待たずして息を引き取った。アーチの建設が始まったのはその2年後、1963年2月12日のことであった。建設には2年8ヶ月の歳月を費やした。完成したのは1965年10月28日のことである。アーチの頂点が完成した日は異常に暑く、市の消防車がホースで水をかけて南側の脚を冷却していたため、式典が遅れたというハプニングもあった。翌1966年10月15日にはアーチを含む公園全体が国の史跡に指定された。1968年5月25日、副大統領ヒューバート・H・ハンフリーと内務長官スチュワート・ユードール（Stewart Udall）によってアーチは公開された。1984年、アメリカ合衆国議会は公園の拡張を認める法案を通した。その中には、ミシシッピ川の対岸、イリノイ州イーストセントルイスの約400,000m²におよぶ土地も含まれていた。用地買収のための資金集めも行なわれた。しかし、議会は1998年度に国立公園局の用地買収に対しモラトリアムを実行した。21世紀に入ってもモラトリアムは継続している。一方、イーストセントルイスではミシシッピ川に浮かぶカジノ船やその関連施設ができたことから、公園の拡張はあまり望めなくなってきている。1999年、約220万ドルの費用を投じ、アーチのトラムを新型のものに替えた。
車体より4本の油圧シリンダーにより支えられているターレットは左右にそれぞれ240度旋回することができ（360度の全周旋回はできない）、ドライバー兼オペレーターが搭乗する操縦室と補助的な動力装置、そして左右に1基ずつ、計2本のマニピュレーター（ロボットアーム)が備えられていた。操縦席の周囲には放射線遮蔽材として厚さ30 cmの鉛板を用いており、この重さは総重量の約半分にも達していた。総重量85トンのうち、ターレット部のみで50トンの重量がある。操縦席天面は4隅をシリンダーで持ち上げる方式の搭乗ハッチとなっているが、放射線防護のためにとてつもなく分厚いものとなっており、ハッチだけでも7.5トンの重量があり、さながら銀行の金庫室の扉のごとくであった。これらの防護装備により、放射線被曝に対する防護能力は無防護状態の3,000倍という数値を達成しており、毎時3,000レントゲン（約26シーベルト）の被曝に耐えることができた。これは「人間が無防護で被爆した場合、10分以内に確実に死亡する」環境に耐えられることを意味する。外界の確認手段として、放射線遮蔽用として厚さ58 cmの鉛入ガラスを使用した前面／左右の三カ所の外部視察窓のほか、ターレット前面上部に可動式の支持架に取り付けられたものが1基、後面に固定式のものが2基、計3基のテレビカメラと、天面ハッチ上面に左右旋回と上下俯仰が可能な1基の潜望鏡式ペリスコープを有し、作業時の照明として前面視察窓の左右に5基、上下各2基、左右視察窓には上下各3基の角型ライトと、上部中央に1基の円形サーチライトがある。この他、前面視察窓には2基の計測ゲージの付いた作り付けの双眼鏡があり、左右に移動できるように専用のマウントに接続されていた。操縦手と外部との通信は2基の無線機によって行われたが、分厚い防護壁によりハッチ閉鎖時（行動時）には車内には外部の音は全く届かないため、操縦手が目視以外に外部の状況を把握できるように、集音マイクが備えられており、エンジン音を始めとする駆動音はこれによって把握した。操縦室には3基のエアーコンディショナーが備えられ、22～24℃、湿度60％の状態を維持した。操縦者用座席は電動による調整が可能なもので、狭い操縦室で搭乗者が快適に作業が可能なように配慮されている。ただし、操縦室内は大変狭苦しい上に各種機器と計器で一杯であり、操縦者には座席以外の空間はほとんど与えられていなかった。なお、操縦室はハッチを閉鎖した後には小さな空気取り入れ口のみしか外部と通じている部分はないが、被曝防護は直進性の高い放射線による直射の防護に主眼が置かれており、放射線防護はダクトを複数回90度以上に曲げることによって達成されている。汚染大気や汚染粒子が高濃度に滞留している状況で作業することは想定されていないため、空気取り入れ口自体にはさほど高度なフィルタは装備されていない。非常事態に備え、操縦室内には8時間分の容量のある酸素ボンベが用意されていた。操縦室の左右に備えられたマニピュレーター（ロボットアーム）はゼネラル・ミルズの設計・製作によるもので、上腕部を前後に42インチ（約106.7cm）、前腕部を18インチ（45.72cm）伸縮させることができた。1基あたりの関節数は3節で、360度全周の回転可動軸を3つ、可動範囲120度と90度の1軸可動軸をそれぞれ2/1つ持ち、無骨な外見ながら繊細な作業が可能であり、1962年に行われたデモンストレーション時には、アームで卵を割らずに持ち上げるというパフォーマンスを披露している。操縦席区画後方には発電機とその動力源として補助エンジン、および各部駆動用の油圧ポンプが搭載されている。油圧ポンプはエンジンからの動力によるものと電動式のもの、2種類が搭載されていた。また、緊急時には搭乗ハッチを手動で開くことができるように、操縦席には手動式の油圧ポンプが準備されている。