Das alte Zeughaus wird um einen neuen Hauptbau erweitert. Der Erweiterungsbau bildet Adresse und Gesicht des naturhistorischen Museums und löst die Problematik des fünf Meter hohen Niveausprungs auf der Parzelle. Durch seine mittige Setzung quer zum Bestand schafft er im Osten zwischen Schule und Museum einen neuen Stadtplatz und damit einen würdigen Auftakt für den Haupteingang. Gegen Westen entsteht ein ruhiger Museumsplatz mit Cafeteria, Eingang und Anschluss an die wichtige Langsamverkehrsachse entlang der Geleise. Diese beiden neuen Aussenräume sind über das zweigeschossige Foyer des Museums visuell miteinander verknüpft. Die physische Verbindung schafft neben der pompösen Aussentreppe entlang der Schule die interne Haupttreppe des Museums, welche als räumliche Fuge eine klare Trennung zwischen Neu und Alt bildet. Die markante Längsfassade des ehemaligen Zeughauses mit den grossen Toren bleibt somit grösstmöglich erhalten.

Der Bestand zeichnet sich durch lange, niedrige Räume aus, die durch den engen Stützenraster geprägt sind. Der Neubau erweitert das Raumangebot durch hohe, gut proportionierte und stützenfreie Museumsräume, die neben den räumlichen Anforderungen auch die geforderten Nutzlasten erfüllen. Eine grosszügige neue Haupterschliessung am Schnittpunkt der beiden Trakte erleichtert dem Besucher die Orientierung und führt ihn abwechslungsreich durch das ganze Museum. Über zwei neue Nebentreppenkerne werden die internen Verkehrsflüsse des Museums organisiert und die Fluchtwege sichergestellt. Der Warenlift befindet sich im Neubau, bedient aber beide Trakte, wodurch die Struktur des Bestandesbaus geschont wird. Auch beim Aufbrechen des Bodens an den Stirnseiten, was den niedrigen Zeughausräumen eine ansprechende Grosszügigkeit verleiht, wird die Struktur nicht verändert. Vielmehr wird durch das Freilegen der Tragstruktur die Qualität des Hauses sozusagen offengelegt.

Dem neuen Hauptbau, der einiges höher ist als der Bestandesbau, wird durch seine Materialisierung Leichtigkeit verliehen. Die Fassade besteht mehrheitlich aus einem unterschiedlich stark perforierten Metall, das über einem Betonsockel hängt. Die Fassade des ehemaligen Zeughauses wird restauriert und im heutigen Ausdruck belassen.

Die Hauptausstellungsräume befinden sich einerseits im mittleren Geschoss des Bestandes, andererseits in den zwei Obergeschossen des Neubaus. Über den Stadtplatz an der Route des Arsenaux betritt man durch den Haupteingang das Museum und landet direkt beim Empfang. Angrenzend ans Eingangsfoyer mit Kasse und Besuchergarderobe befinden sich der Atelierraum der Kulturvermittlung und der multifunktionale Auditoriumsraum. Über die grosszügige und offene Haupttreppe oder den Besucherlift gelangt man ein Geschoss höher zum Foyer mit Cafeteria und Ausgang zum Museumsplatz sowie zu den Ausstellungsräumen. Da sich die Ausstellungsräume sowohl im Altbau als auch im Neubau – und auch auf verschiedenen Geschossen befinden –, können mehrere Bereiche für den Aufbau von Wechselausstellungen oder Veränderungen bei Festausstellungen abgetrennt werden, ohne dass der Ausstellungskreislauf behindert wird. Die Ausstellungsräume sind sehr flexibel und weiter unterteilbar, was die Platzierung der Wechselausstellungen an zahlreichen Orten zulässt.