Het ontwerp voor het nieuwe Naturalis vormt een duurzaam geheel van bestaande gebouwen en nieuwbouw, met voor elke functie van het instituut een specifieke vorm. De centrale ruimte is een groot en licht atrium. Vanuit deze plek zijn alle delen van het instituut met elkaar verbonden: de oudbouw met de kantoren en de depots, de nieuwbouw met de laboratoria en tenslotte het nieuwe tentoonstellingsgebouw. De gevel van het centrale atrium bestaat uit een driedimensionale betonnen draagstructuur in de vorm van in elkaar grijpende moleculen, een kantwerk van ovalen, driehoeken en zeshoeken vormend. Het gefilterde licht dat door de cirkelvormige ramen binnenvalt, versterkt de monumentaliteit van de publiekshal.
Op de begane grond liggen openbaar toegankelijke functies zoals het restaurant, de winkel en een tentoonstellingsruimte waarin Naturalis de wetenschappelijke kant van het instituut toont. De stapeling van de zalen wordt naar boven toe geleidelijk smaller met daarin uitgespaard een trap die als het ware als een bergpad omhoog gaat. De tentoonstellingszalen zijn ten opzichte van elkaar verschoven en met hun grote vrije overspanningen bieden de zalen voldoende ruimte om de zesenzestig miljoen jaar oude T. rex Trix een ereplek te geven in zaal ‘Dinotijd’.
De tentoonstellingszalen zijn aan de buitenkant bekleed met natuurstenen blokken in horizontale lagen, waardoor het lijkt of het gebouw onderdeel is van een geologische structuur. In de gebruikte travertin steensoort hebben zich in miljoenen jaren natuurlijke kristallen gevormd die voor een glinstering zorgen. Deze aardlagen in de gevel worden onderbroken door friezen van witte, betonnen elementen, ontworpen door modeontwerpster Iris van Herpen. Op uitnodiging van Neutelings Riedijk Architecten ontwierp ze in totaal 263 panelen, geïnspireerd door de collectie van Naturalis. Door een speciaal voor dit ontwerp ontwikkelde techniek, lijken de betonnen vormen zijdezacht.
