El exterior del edificio, de ladrillo a cara vista, presenta cuatro torres en sus ángulos, con cuerpos ligeramente más bajos entre ellas, sobre una planta ligeramente rectangular. La fachada principal se articula en cinco bloques: los dos extremos formados por las torres angulares, el central constituido por un cuerpo ligeramente adelantado, resaltando la puerta de ingreso, y las dos alas laterales, retranqueadas y situadas entre el cuerpo central y las torres de los ángulos. Las torres de los ángulos presentan en el frente de su parte superior templetes abiertos con columnas de carácter corintio sobre las que apea el frontón clásico-cobijo de las esculturas sedentes de la Industria y el Comercio, obra del escultor Dionisio Lasuén-, flanqueados por sendas parejas de medallones en los que se representan los bustos esculpidos de Damián Forment y Francisco de Goya, y de Ramón de Pignatelli y Juan Bruil, grandes mecenas aragoneses. En unas cartelas situadas en la parte inferior de los mismos se pueden leer dos grandes inscripciones en las que se conmemoran la fecha de construcción, los preceptos legales que amparan al museo y el reinado en que tuvo lugar su construcción. El cuerpo central muestra una concepción similar a las de las torres de los ángulos ya mencionadas: en su parte inferior se sitúa la puerta de ingreso, una gran arcada de medio punto, mientras en la superior se dispone una galería alta y cubierta, al modo de las logias italianas, adintelada sobre columnas y con las Alegorías de la Escultura, la Pintura y la Arquitectura- obra del escultor Carlos Palao- sitas entre sus intercolumnios. Las alas laterales de esta fachada principal, cegadas desde la reforma de 1974-1976, poseen grandes ventanales en arco de medio punto, en el piso inferior, y una nueva galería adintelada sobre columnas en el superior; ambos pisos se separan a través de un friso corrido ricamente decorado.
Las fachadas laterales, mucho más sencillas que la principal, presentan en su parte baja grandes ventanales en arco de medio punto, sobre los que se disponen, ya en la parte alta, grandes medallones en los que se representan, fundamentalmente, bustos de artistas españoles, y sobre ellos se sitúa la galería superior adintelada sobre columnas.
La fachada posterior, con una articulación mucho más sencilla, sólo presenta las aberturas de ventanales y balcones de las distintas dependencias del Museo.
Tras la puerta de acceso al Museo, se sitúa el amplio vestíbulo de ingreso que presenta sus muros articulados a través de grandes arcos de medio punto, de frontones clásicos, nichos, cuatro columnas corintias y una decoración arquitectónica clasicista y académica. El vestíbulo da paso al patio central, que inicialmente era un jardín, de planta cuadrada, que presenta su parta baja arquitrabada con columnas anilladas, cuyo tercio inferior es liso, mientras los dos superiores son estriados, dotadas de capitel corintio y zapata; mientras en su parte superior se dispone una galería alta de grandes ventanales en arco de medio punto apeados sobre balaustres, con antepechos decorados con medallones acompañados de motivos vegetales y florales. En torno a este patio central se articulan las salas y dependencias del Museo.

El edificio adopta el esquema ideal del palacio aragonés renacentista, formando parte de la corriente historicista o eclecticismo de corte regional. El edificio del Museo, situado en el eje central de la Plaza de los Sitios, se concibe como un Palacio de las Artes que adopta el esquema ideal del palacio renacentista aragonés, así como algunos de sus elementos más característicos como la construcción en ladrillo cara vista, la organización de sus dos pisos en torno al patio interior y sus crujías, la utilización de columnas anilladas, el resalte de las esquinas a través de pequeñas torres o el uso de aleros de madera coronando la fachadas.