Situado en la ribera del Arlanzón a su paso por Burgos, el nuevo complejo tiene una relación material y fluvial con el yacimiento de Atapuerca. Los hallazgos paleontológicos y arqueológicos de la Sierra de Atapuerca son de tal entidad que se hizo necesario contar con un espacio en el que impulsar su estudio y fomentar su explicación y exposición al gran público. Así, el complejo se compone de tres volúmenes, el Museo de la Evolución Humana, el Centro Nacional de Investigación sobre la Evolución Humana y el Palacio de Exposiciones y Congresos. 

Estos dos últimos se separan del museo, que ocupa la posición central, por sendas hendiduras que dejan pasar la luz y que conectan la ribera con la zona urbana posterior, remitiendo, como se hará en el interior del museo, a las sensaciones espaciales que provoca la trinchera del ferrocarril de la Sierra de Atapuerca. Por otro lado, mientras que el museo se caracteriza al exterior por la celosía romboidal de color rojo de sus fachadas laterales, el Centro Nacional de Investigación, situado al este, se reviste en dos frentes con paneles verdes con rombos recortados, y el palacio de Exposiciones y Congresos, al oeste, cubre parte de su fachada con una doble piel formada por perfiles y chapa rojos, y chapa blanca recortada que perfila un dibujo abstracto.

El complejo construye una ladera artificial que desciende hacia el cauce, para lo que fue preciso elevar el acceso a los edificios cinco metros, consiguiendo asimismo separar al visitante del tráfico y ofrecerle una visión sin obstáculos de la catedral burgalesa. En continuidad con la ladera, y ya dentro del museo, el proyecto incorpora una recreación abstracta del paisaje de Atapuerca, a través de unas secciones o fragmentos de suelo, protegidos por una cubierta transparente de aluminio y cristal, que se resuelve mediante pliegues sucesivos, y que asemeja el interior al de un gran invernadero. 

Los ‘desfiladeros’ que se encajan entre los prismas se utilizan para presentar los aspectos geológicos o paleontológicos del yacimiento, reproduciendo la experiencia espacial de los cortes de las excavaciones y los estratos del territorio. Tras los grandes prismas se disponen tres niveles, unidos mediante rampas, que muestran objetos e instalaciones de manera más convencional. La estructura del edificio es de hormigón y mixta de acero y hormigón, y se muestra con rotundidad en el exterior del museo. El cerramiento exterior combina, mediante un sistema de doble piel, unas superficies acristaladas transparentes y otras opacas realizadas en vidrio plata, así como paneles de chapa de diferentes colores y piedra de tono ámbar.