El edificio original, diseñado por el arquitecto Julio Bravo, es una muestra de la arquitectura industrial aragonesa de principios del siglo XX. El Gobierno de Aragón emprendió en el año 2008 una ambiciosa ampliación que aumentaba la superficie útil del Museo, que pasaba de los 2.500 m2 con los que contaba, a los más de 7.400 m2.
El edificio principal, caracterizado por su cubierta de dientes de sierra, es donde se ejecutó la parte más relevante de la ampliación a través de dos actuaciones. En primer lugar, mediante una excavación bajo la sala que albergaba la antigua muestra permanente de Pablo Serrano para ampliar las salas de reserva.
La segunda intervención, la más impactante visualmente, se ha llevado a cabo mediante una ampliación en vertical del primitivo edificio. La erección de una gran estructura metálica autosustentada sobre cuatro grandes soportes verticales de hormigón armado. Este gran cuerpo sobreelevado destaca poderosamente al exterior a través de sus contundentes volúmenes geométricos y sus acabados de planchas metálicas lacadas en negro y azul.
