El proyecto, ganador de un concurso internacional celebrado en el año 2001, se sitúa en un lugar estratégico de la ciudad, a tan solo trescientos metros de la Acrópolis ateniense, dentro del barrio histórico de Makryianni. Su ubicación, junto a una red de caminos peatonales que une los principales yacimientos de la zona, hace del edificio una pieza clave de este complejo catalogado como Patrimonio de la Humanidad.

La estructura se divide en tres capas que ‘levitan’ sobre una serie de restos arqueológicos descubiertos durante las obras previas a la construcción del museo y ahora integrados en el recorrido propuesto por la institución. Sobre la excavación flota, gracias a una retícula de columnas de hormigón armado, la primera de estas capas: un basamento que contiene el acceso principal y los espacios de exposiciones temporales, dotado con grandes aberturas y suelos de vidrio que permiten vistas sobre las ruinas de la planta inferior. A través de una rampa se accede al espacio a doble altura del cuerpo intermedio, donde se sitúan las salas con las colecciones permanentes del periodo comprendido entre la época arcaica y el periodo romano tardío, además de una planta intermedia con una zona de restauración y una terraza abierta al público. Por último, coronando el museo, se sitúa la Galería del Partenón: un espacio rectangular de vidrio, iluminado cenitalmente y girado 23 grados respecto al resto del edificio, lo que le permite adquirir la misma orientación que el cercano Partenón, visible gracias a la fachada doble de vidrio que rodea la estancia. En el centro de la galería, un núcleo sirve de soporte para el friso del templo, donde se han instalado tanto piezas originales como copias de las esculturas actualmente en posesión de museos extranjeros, como el Museo Británico y el Louvre.

La circulación a través de estas capas de hormigón, mármol y vidrio —los principales materiales empleados en la construcción del edificio— crea un bucle tridimensional que guía a los visitantes en una secuencia cronológicamente ordenada, desde las ruinas visibles del acceso, pasando por la época arcaica hasta alcanzar las obras del periodo clásico de la Galería del Partenón, para finalmente descender de nuevo a la sala del periodo romano. Dado que las piezas expuestas consisten en su mayoría en esculturas, muchas de las cuales ornaron en algún momento edificios de la Acrópolis como los Propileos, el Erecteion, o el mencionado Partenón, se han abierto generosos paños de vidrio para permitir la entrada de luz natural, recreando así las condiciones ambientales del exterior.