工程位于上海市静安区，山海关路、大田路交界处，静安雕塑公园北部。建筑用地面积12029㎡，总建筑面积45086㎡，其中地上建筑面积12128㎡，地下建筑面积32958㎡，地上为三层、地下二层。地下二层展厅下方为地铁十三号线区间，两者整体建构，地上总高度18m，总埋深22m。
工程建设计规模、展品存量、展示手段，将名列国内三大自然博物馆的前茅，每年预计有超过120万的参观者造访。
建筑的整体形态灵感来源于绿螺的壳体形式，博物馆的内部参观流线围绕中心景观布置，博物馆的各展厅组织在螺旋式的空间秩序中，将内部功能与外观形式完全统一。螺旋上升的绿色屋面从雕塑公园内升起，使人联想到螺壳体的和谐形式和完美的构成比例。博物馆的功能被安排在这一绿色长带下的空间中，并围合出一面椭圆形水池，成为贯穿整个建筑的参观流线所围绕的中心焦点。
设计从自然的基本元素：山、水、陆地、岩石中提炼出景观和建筑材料语汇，使建筑的外观形式和景观配置都反映出自然博物馆的展览主题和特色，使博物馆成为教育的载体，同时还形成了城市中结合展览、教育、社交和自然体验为一体的新型公共活动场所。
上海自然博物馆的设计体现了传统建筑文化精粹与整体环境相结合，优美的建筑形态与良好的节能效果相结合，空间布局的实用性与可持续发展的前瞻性相结合。
博物馆通过建立与基地的关系，旨在表现人和自然的和谐的结合，而这正是中国文化形成的基础。在传统的中国园艺和设计中，山和水是自然的基本元素。为了传承这一文化印象，我们将博物馆看作是一座抽象的“山水花园”，而建筑恰似山脉包围着水体。在这里建筑被看做是体现自然精神的途径，而不是对自然简单的模仿。建筑中使用由源于传统园林亭台中的抽象自然图案组成的遮屏，作为围合花园的玻璃墙体的支撑结构和遮阳体系。这一图案化的表皮同时也隐喻着人类的细胞组织结构。由此，博物馆的体验蕴涵了传统中国园林设计中的石头、土地、水、植物，形成建筑和光影环境之间的互动，以人为本，师法自然，成为一个“自然”的博物馆。
博物馆的大部分面积是展厅，其它功能包括为展厅服务的管理人员办公、周转库房、停车以及为参观者服务的餐厅、商店，还有一个可独立开放的Imax影院，这些功能75%被安排在地面以下，使地面上的建筑体量大幅减小以融入到雕塑公园的绿化中。自然博物馆的屋顶从地面上螺旋升起，仿佛在公园中切下一块绿地，提升18米的高度，然后把所需要的功能放到这一连续的绿地下面。
从北面山海关路和从南面雕塑公园而来的公众将从南向的博物馆入口进入，这个入口有三层高的透明落地玻璃幕墙，将室内与外部景观融为一体。在入口门厅，公众可一目了然博物馆的主要功能：门厅近端的售票处，远端的礼品店，二楼的Imax影院与咖啡厅以及整个展示空间所围绕着的中庭。
自然博物馆各层的具体功能如下：
地下二层为展厅和设备用房；地下二夹层为展厅及藏品库房；地下一层为展厅、临展厅、设备用房及停车库；地下一夹层为停车库；一层为入口大厅、纪念品商店、展厅二层为Imax影院、咖啡厅、报告厅、展厅及员工餐厅；三层为行政管理服务区
自然博物馆的参观流线设计清晰流畅，由地上地下贯穿形成了一条连续的参观流线，参观者还可通过灵活布置的多处电梯、自动扶梯、坡道等垂直交通个别组织参观流线，从而形成人性化的参观流线设计。
Imax影院和报告厅布置在二层展区之外，可独立营运，同时有便捷的垂直交通联系一层大厅，以实现不同访问人员的合理分流。
博物馆外立面由三种墙体系组成，以表达内部展览的主题：
建筑西北墙体，作为主入口正面并沿这公共交通停靠站，被设计为一个带有斑驳、条形岩石肌理的构造墙体。这一形式表达了运动和压力所参与的地壳形成。
东北部墙体是活生态墙体由垂直绿化墙组成，此墙体界定了一个拱廊街道连接着城市街道和公园入口并且为办公区的窗户提供遮阳。同时此墙体延伸了公园的水平绿化到竖向表面，并代表了陆地的植物表层。
建筑的南墙由呼应“人类细胞结构”的图案构成。它的构成包括三个层面。较大尺度的内层结构代表着身体的骨骼结构，并支撑着博物馆建筑的墙体和屋面。由较小尺度图案组成的外层，代表着身体的组织和肌肉，并为第三膜层的玻璃提供遮阳。
自然博物馆作为一个以“分析自然的奥秘、展现自然与人的和谐与矛盾、激发人类对自然的好奇心与责任感”为主题的建筑项目，将不仅仅通过展品和其它科普活动发挥教益作用，更致力于在自身场馆建设上集成与博物馆建筑特点相适应的生态节能技术，成为人与自然和谐相处的典范，成为绿色、生态、节能、智能建筑的典范。
项目将通过十二大生态节能技术体系实现上述目标：
系统一：建筑节能幕墙
系统二：绿化隔热外墙及绿化屋面一体化
系统三：地源热泵技术
系统四：热回收技术
系统五：太阳能综合利用
系统六：自然通风策略
系统七：自然光导光技术
系统八：雨水回收系统
系统九：绿色照明
系统十：绿色建材
系统十一：生态节能集控管理平台
系统十二：全寿命研究平台
上海自然博物馆从总体布局、建筑形态、到内部空间，无一不渗透着自然的灵感。建筑从公园中生长而出，其形态涵盖岩石，植物，细胞生态等自然奥妙，其空间孕育着光，风以及人工智能等自然体验，很好的贯彻了人和自然的和谐结合的自然精神，建成后将成为一座国内领先世界水平的现代化综合性自然博物馆，并以其对可持续设计概念的贯彻成为绿色建筑的典范。
