Conçu  par l'architecte Jean Nouvel, la structure du musée est inspirée de la rose des sables, formation cristalline naturelle que l'on trouve dans le désert. Le bâtiment se compose de 539 disques incurvés, emboîtés les uns dans les autres.

Cette construction spectaculaire assure des zones d'ombre naturelles, et réduit la chaleur et l'exposition au soleil.

Le parcours de visite se répartit en 11 espaces chronologiques, répartis en trois grandes sections : les origines (histoire géologique), la vie au fil du temps (vie nomade, commerce des perles, traditions bédouines), la construction de la nation (rôle déterminant du pétrole et du gaz dans le développement économique moderne, urbanisation rapide).

La scénographie est immersive : ambiances sonores, écrans panoramiques ou encore diffusion de senteurs rendent la visite très agréable et pas du tout ennuyeuse.

La visite se conclut sur les grands défis auxquels le pays doit faire face, et évoque également les derniers projets en cours.

A l'extérieur, le musée s'ouvre sur un vaste jardin paysager utilisant des essences locales qui réinterprètent les paysages désertiques et les oasis que l'on peut trouver au Qatar.