Die Kunst- und Ausstellungshalle und das Kunstmuseum Bonn sind als städtebauliches Ensemble konzipiert. Es handelt es sich um zwei quadratische Baukörper von 96 Metern Seitenlänge und 12 Metern Höhe, deren Eingangsfronten einander zugewandt sind.

Die Bundeskunsthalle ist als Haus für Wechselausstellungen und Veranstaltungen auf flexible Nutzung eingerichtet.
Der Baukörper ist mit hellem Sandstein verblendet und wirkt sehr massiv. Durch einen schmalen, vertikalen Einschnitt gelangt man zuerst in einen Vorraum unter freiem Himmel und dann ins Innere des Gebäudes.

Entlang der Außenmauern sind in einer 10 Meter tiefen Zone Büros, Werkstätten, Bibliothek, Ausstellungsgalerien und weitere Nebenräume untergrbracht. Das Gebäudezentrum beherbergt Foyer, große Halle, Atrium und Forum.

Eine Besonderheit des Hauses ist der vom Vorplatz aus über eine schmale Treppenrampe erreichbare Dachgarten mit drei kegelförmigen Lichttürmen, die zwischenzeitlich zum Wahrzeichen des Gebäudes geworden sind. Sie setzen sich im Innern als Licht führende Säulen fort und bilden einen Kontrast zu den rechten Winkeln der Räumlichkeiten. Der Dachgarten wird mit seiner Fläche von 8000 Quadratmetern als öffentlicher Raum für Skulpturenausstellungen genutzt.

2014 wurde das Foyer der Bundeskunsthalle mit Garderobenbereich, Shop und Café vom Architekturbüro HPP neu gestaltet.