Το έργο της μελέτης για τη νέα Πινακοθήκη ανέλαβαν τα αρχιτεκτονικά γραφεία Grammatopoulos -Panousakis Architects και D Vasilopoulos Architects, ενώ η κατασκευή του έργου ανατέθηκε στην εταιρεία ΑΚΤΩΡ Α.Ε. Ο νέος σχεδιασμός ακολουθεί τη φιλοσοφία μιας σύγχρονης μεγαλούπολης και είναι στα πρότυπα αντίστοιχων μεγάλων μουσείων του εξωτερικού. Συγκεκριμένα, προστέθηκαν 11.000 τετραγωνικά μέτρα στο προϋπάρχον κτίριο,  υπερδιπλασιάζοντας ουσιαστικά τους λειτουργικούς του χώρους (το αρχικό κτίριο ήταν μεγέθους 9.720 τετραγωνικών μέτρων). Μέσα από την ανακαίνιση και επέκτασή του, το μουσείο αποκτά νέους εκθεσιακούς χώρους 2.230 μέτρων. Επίσης, δημιουργούνται 1.645 τ.μ. αποθηκών για έργα τέχνης, αίθουσα υποδοχής 910 τ.μ., καθώς και δύο πωλητήρια.

Αξίζει να σημειωθεί ότι η ανακαινισμένη Εθνική Πινακοθήκη απέκτησε έναν ακόμη όροφο και επιπλέον βάθος τριών επιπέδων. Το κτίριο είναι σχεδιασμένο ώστε να αναπνέει και να δίνει την αίσθηση της ελευθερίας, αλλά και της συνομιλίας με την πόλη. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί το εστιατόριο στον τελευταίο όροφο του κτιρίου, που έχει πανοραμική θέα προς την Ακρόπολη. Τα συστήματα αλουμινίου ολοκληρώνουν τη συνολική κατασκευή, παρέχοντας υψηλά επίπεδα θερμομόνωσης και μέγιστη λειτουργικότητα, χωρίς συμβιβασμούς ως προς την αισθητική ταυτότητα του κτιρίου. 

Το κέλυφος του κτιρίου εντυπωσιάζει με τα σύγχρονα εκτεταμένα υαλοπετάσματα, που παρέχουν μοντέρνα αίσθηση και ενοποίηση του εξωτερικού με το εσωτερικό περιβάλλον. Το minimal προηγμένο σύστημα υαλοπετασμάτων συμβάλλει στην ενίσχυση του φυσικού φωτισμού αλλά και στην αυξημένη στατικότητα έναντι ακραίων καιρικών φαινομένων. Τόσο ο σωστός φωτισμός, όσο και η στατικότητα, είναι ιδιαίτερα σημαντικά στοιχεία για ένα μουσείο όπως η Εθνική Πινακοθήκη, με συνεχή διέλευση επισκεπτών, καθώς με αυτό τον τρόπο διασφαλίζεται αφενός η ευχάριστη αίσθηση για τους επισκέπτες και αφετέρου η απόλυτη ασφάλεια τόσο των ανθρώπων όσο και των εκθεμάτων.