Arkitekten bak den nye museumsbygningen, Klaus Schuwerk, uttalte i sitt vinnerutkast i arkitektkonkurransen at han ser på museumsbygget som et slags tempel. Han ønsket å tegnesittParthenon, hvor basen, som tempelet står på, skulle utgjøres av steinfasaden (i Oppdals-skifer). Inni skulle det være et klassisk museum, med visningsrom på rekke og rad, enenfilade, med tilhørende mindre rom ellerkabinetter. En slik modell gir en hovedretning for de besøkende gjennom hver etasje, med avstikkere til de mindre rommene langs aksen. Mønsteret er velkjent fra 1800-tallets museumsbygninger.

Nasjonalmuseet har blitt et landemerke i bylandskapet, der det også har gått i dialog med andre bygninger fra ulike historiske perioder. Lyshallen i øverste etasje ligger som et langstrakt horisontalt element og står i kontrast tilRådhusets vertikalitet.

Bak de lave, frededeVestbanebygningene kan museet i tråd med tempelmetaforen (Akropolishøyden overAthen) ses som en helligdom hvilende over basen. Den blokkaktige formen ogblindvinduene motAker brygge understreker referansen til den klassiske arkitekturen. Fra Lyshallen og terrassen kan publikum skue ut over byen og fjorden.

Proporsjoner og materialer, som valg avskifer,eik ogbronse, har vært tillagt stor vekt for å gi solide og varige kvaliteter ved bygningen. Begrepsmessig knyttes et museum opp mot ideen om etmuseion, en skole for kunst og lærdom og et sted for dyrking av klassisk kunnskap ogmusisk dannelse.

Med bakgrunn i museenes demokratiseringsønske fra 1970-årene om å fornye og tilgjengeliggjøre kunsten for et bredere publikum, har Schuwerk ønsket å omforme de historiske forbildene til et moderne og levende kulturhus, for vår tid. Museene er i stor grad i dag også blitt en opplevelsesdestinasjon, en sosial møteplass for restaurantbesøk, konserter ogperformance, hvor aktiviteter og debatter skal speile samfunnet det er en del av. Museumsarkitekturen har derfor måttet endre seg, i takt med museenes rolle.

På toppen av bygget, i tredje etasje, ligger den såkalte Lyshallen, som selve kronen på verket. Her skal museet presentere skiftende utstillinger av norske og internasjonale kunstnere. Hallen ble tidligere kalt Alabasthallen fordi den opprinnelig var ment å skulle ha det gjennomskinnelige mineraletalabast i glassveggene. Materialet viste seg imidlertid ikke å tåle norsk klima, og det ble etter hvert bestemt at det skulle legges en tynn film avmarmor mellom to glasslag i stedet. Marmoren har både kvaliteten og finessene som den tiltenkte lanternen på toppen av museet skulle symbolisere. Den gigantiske glasshallen skal lyse opp byen på kveldstid og blir en prestisjetung arena for de midlertidige utstillingene.

I et eget rom henger en rekke avEdvard Munchs mest ikoniske verker, hvor eksempelvis de tidlige utgavene avSkrik,Madonna,Livets dans ogDøden i sykeværelse er blant de mest berømte.

Andre betydningsfulle norske kunstnere erJ. C. Dahl,Adolph Tidemand,Hans Gude,Harriet Backer,Oda Krohg,Aasta Hansteen,Kitty Kielland ogChristian Krohg.

Blant utenlandske kunstere finnesEdouard Manet,Cloude Monet,Henri Matisse,Pablo Picasso ogAnna-Eva Bergman.

Av nyere 1900-talls kunst kan verker av Irma Salo-Jæger,John Savio,Lena Cronqvist,Per Inge Bjørlo,Bente Stokke,Bård Breivik ogIlya Kabakov nevnes.

I kafeen kalt Salongen i annen etasje kan publikum betrakte veggmalerietWall Drawing #839 av den amerikanske konseptkunstnerenSol LeWitt. Verket er rekonstruert og overført til veggen på motsatt side av vinduene mot Museumsplassen og Vestbanebygningene.

I 1990 bleNasjonalgalleriets samlinger fra etter 1945 overført tilMuseet for samtidskunst, som ble opprettet i 1988. I september 2017 stengte Samtidskunstmuseet dørene på Bankplassen 4 for godt, for å flytte til det nye Nasjonalmuseet. Basisen i samlingen er verker overdratt fraRiksgalleriet og Nasjonalgalleriet. I det nye Nasjonalmuseet er bildekunsten fra de ulike epokene igjen kommet sammen.

Åpningsutstillingen i Lyshallen hadde tittelenJeg kaller det kunstog viste kunstverk av 147 kunstnere fra hele landet, i aldersspennet mellom 22 og 79 år. Alle kunstneriske uttrykk var representert, og ideen var å vekke debatt om god og dårlig kunst og sette spørsmål ved hvem som definerer dette.

Forretningsmannen og kunstmesenenChristian Langaard (1849–1922) testamenterte henholdsvis i 1909 og 1923 store kunstgaver tilKunstindustrimuseet og Nasjonalgalleriet. Kunsten ble gitt på betingelse av at bildene i Nasjonalgalleriet skulle vises i et eget rom og med familienavnet godt synlig. Langaard interesserte seg spesielt for eldre, flamske og hollandske mestere, som Nasjonalgalleriet ikke selv hadde. Kunstindustrimuseet mottok blant annet en rekke gamlefigurtepper,sølvarbeider,porselen ogmøbler. Kunstskattene fra Langaard regnes som viktige deler av museets historie og samlinger.

Foruten museets egne kunstsamlinger viser Nasjonalmuseet også verker fra skipsrederfamilienFredriksens private samling av internasjonal kunst,The Fredriksen Family Collection (TFFC). Avtalen ble inngått i 2017 og skulle i første omgang gjelde i en tiårsperiode, med mulighet for forlengelse. De utlånte verkene vises i Søylerommet i museets andre etasje. Samlingen har sitt tyngdepunkt i kunst fra etterkrigstiden, men tidsspennet strekker seg over 100 år, med kunstverk fra 1920-årene til verk fra dagens kunstscene. Museets samarbeid med Fredriksen-søstrene har vært mye omdiskutert og vært knyttet til etiske problemstillinger rundt deres forretningsdrift snarere enn privat finansiering av kunst. I Fredriksen-samlingen inngår eksempelvis verker av internasjonalt berømte kunstnere somGeorgia O'Keeffe, Faith Ringgold,Louise Bourgeois ogYayoi Kusama.

Kunstindustrimuseet, etablert i 1876, holdt til i St. Olavs gate, men stengte dørene i oktober 2016 for å flytte til det nye museumsbygget.

Samlingene spenner fraantikkensvaser og østasiatiske kunstgjenstander til nyere europeisk stilhistorie. Utstillingene omfattet møbler, sølv,glass,keramikk,drakt,mote ogsmykker, foruten nyeredesign ogkunsthåndverk. Det ble tidlig lagt vekt på innsamling av norskfolkekunst, spesielt for å fremmehusfliden. En av Nasjonalmuseets mest verdifulle gjenstander erBaldisholteppet (uidentifisert kunstner) fra 1040–1190, vevd med ulltråder i engobelinteknikk.

I vakkert kuraterte montere vises videre de kongelige draktsamlingene tilDronning Maud ogDronning Sonja i første etasje. Draktene som stilles ut, bar dronningene ved viktige offisielle anledninger.

Mye av folkekunsten ble for øvrig overført tilNorsk Folkemuseum på midten av 1900-tallet.

Norsk Arkitekturmuseum ble etablert avNorske Arkitekters Landsforbund i 1975. I 2003 gikk det inn som del av Nasjonalmuseet for kunst, arkitektur og design.

Samlingene er Norges største arkitektursamling og består av mer enn 300 000 originaltegninger,fotografier, modeller og gjenstander som daterer seg fra 1830-årene og fram til i dag. Museet har skiftende utstillinger av moderne og historisk materiale. Arkitekturmuseet er ikke fysisk del av Nasjonalmuseet ved Vestbanen, men holder til i eget bygg på Bankplassen 3 i Kvadraturen. Hovedbygningen er tegnet avChristian Heinrich Grosch (1801–1865), men bygget om av arkitektSverre Fehn (1924–2009) og fremstår som et møte mellomklassisisme ogmodernisme. Arkitekturmuseet åpnet i nyrestaurerte lokaler i 2008.

Et eget rom i det nye museet på Vestbanen er for øvrig dedikertSverre Fehn.

Museet åpnet for publikum i 1842, og første tilgjengelige visningssted var noen rom påSlottet, som på denne tiden ennå ikke sto ferdig. Deretter ble samlingene flyttet rundt til ulike lokaler i byen.Christiania Sparebank bevilget midler til opprettelse av et skulpturmuseum i 1871. Dette ble plassert i midtbygningen av det nåværende Nasjonalgalleriet i Universitetsgata 13, tegnet av arkitektHeinrich Ernst Schirmer.

Etter hvert fikk de to andre samlingene sine plasser i bygget, som gradvis ble utvidet med en nord- og en sørfløy, tegnet av Schirmers sønnAdolf Schirmer. I 1903 ble de tre institusjonene slått sammen, og museet fikk navnet Den norske stats sentralmuseum for billedkunst. Først i 1919 ble det døpt Nasjonalgalleriet. Bygget ble fredet avRiksantikvaren i 2012.

I 2003 ble Nasjonalgalleriet, Arkitekturmuseet, Kunstindustrimuseet, Museet for samtidskunst og Riksutstillinger slått sammen til Nasjonalmuseet for kunst, arkitektur og design. Etter at de tre ulike museene nå er samlet under ett tak, er det nye Nasjonalmuseet med sine 55 000 kvadratmeter blitt Nordens største kulturbygg.

Organisasjonsmodellen består av avdelinger henholdsvis for samlingsforvaltning, samling, formidling og publikum, forretning og marked samt administrasjon.

I forbindelse med 100-årsjubileet forunionsoppløsningen åpnet det fusjonerte Nasjonalmuseet i 2005 sine to første utstillingerKunst 1. Alle snakker om museet ogKyss Frosken. Den førstnevnte vakte spesielt sterke reaksjoner og satte debatten i gang. I denne såkalte basisutstillingen ønsket museet å markere forandring ved å oppheve «Munch-rommet» og vise Munchs bilder sammen med andre samtidige kunstnere. Et annetkuratorgrep var å ta den eldre kunsten ut av en kronologisk rekkefølge og sette den inn i en tematisk kontekst.

Konflikter og debatt fulgte om museets funksjon, formidling, forvaltningsoppgaver og utstillingenes rolle. I 2011 ble basisutstillingen igjen satt tilbake i kronologi og fikk tittelenLivets dans. Samlingen fra antikken til 1950. Det nye Nasjonalmuseet har beholdt en kronologisk presentasjon og viser de store historiske linjene i kontekst med sentrale utenlandske verk fra samlingen.

Behovet for større museumsarealer var også tidligere tydelig uttalt og ulike forslag for tilbygg på Tullinløkka ble vurdert. Arkitektkonkurranser ble utlyst både i 1972 og i 1995, uten at noe større bygg ble realisert.

I 2008 vedtok regjeringen å bygge et nytt Nasjonalmuseum på Vestbanetomten. Det ble utlyst en internasjonal konkurranse, som i 2010 ble vunnet av det tyske arkitektkontoret Kleihues + Schuwerk, med Klaus Schuwerks prosjektForum Artis.

Prosjekt Nytt Nasjonalmuseum utgjorde under prosessen en egen seksjon i Byggherreavdelingen iStatsbygg. Prosjektet besto av arkitektkontoret Kleihues + Schuwerk og det internasjonale rådgivningsselskapet Rambøll som rådgivende ingeniører. Det italienske arkitektkontoret Guicciardini & Magni Architetti ved arkitekt Marco Magni stod bak utstillingsarkitekturen og designkonseptet. Fra 2018 var om lag 1000 personer engasjert i prosjektet PNN. Bergo landskapsarkitekter utformet fortau og byrom rundt museet.

Det nye Nasjonalmuseet har til hensikt å gi Norge en tydeligere internasjonal posisjon innen museumsverdenen. Huset kan ta i mot rundt 750 000 besøkende i året, mot rundt 500 000 da prosjektet ble skapt. Det nye Nasjonalmuseet kostet cirka 6,15 milliarder kroner å bygge.