地质博物馆采用在自然界经过亿万年演化而成的奇石形象塑造建筑，形体模拟地质构造的特殊形态，立面抽象自岩石经过亿万年沉淀后形成的层层叠叠，建筑整体完美地融入整个自然环境，表现出鲜明的生态感，达到现代建筑与远古地质环境的和谐统一。

博物馆平面以半地下沙盘为中心呈螺旋上升式布局，充分考虑布展及参观需要，突出展示远古地质生态变迁的主题。博物馆的形体设计追求大地地质景观效果，景观设计中极力渗透博物馆的基本元素和构成手法。博物馆前的层叠广场上自然而设的岩石标本墙展示将参观者引入浑然质朴的地质环境中，用碎石铺设的广场更加回归自然，同两侧山体相互呼应，屋顶花园与建筑北部水池的设计，使建筑完美地融入山地的自然环境中，体现了建筑本身源于自然、融于自然的设计理念。

建筑方案从原始设计到最终建成，历经十年磨砺，数次修改完善，终于展现在世人眼前。博物馆“层叠”的构思原本来自建筑师收藏的一块奇石，出人意料的是，当建筑开始进行地基处理时，挖开后的岩层，层层叠叠，纵向排布，泾渭分明，地质博物馆所主要展示的中上元古界地质相互挤压而形成的特殊地貌就这样猛然间呈现出来，无比深刻地契合了建筑的立意主题。

建筑主体采用毛石毛砌，毛石的粗犷随意与建筑的曲线造型相得益彰，完美和谐。毛石购自蓟县山中一处废弃的山村，据当地村民所述，张艺谋亦曾发现此处想做外景。村民早已搬迁新地，石屋也完全废弃。博物馆在设计之初便想采用毛石立面，然而采用新开采的毛石砌筑的样本墙，呆板阴沉，甚不合意，幸而有人提起这处废弃山村，才解燃眉之急。随着博物馆建成，这些经过时间流逝而留下斑驳印记的古老村屋毛石重新焕发了生机和光彩。