博物館用地位于川大老校區東門的錦江河畔。校園歷史軸線向西南方向偏轉，博物館建筑設計順應校園網格，充分融入校園肌理，回應場地文脈。

博物館包括老館改造和新館兩大部分。老館建于 20 年前，包括原人文館和自然館，面積約 1.47 萬平米。自然館層高較低，進行功能置換改造為藏品庫房，人文館通過改造展廳空間，與新館展陳一體化融合。新館建筑面積約 2 萬平米。北側貼建校園高層綜合樓，為學校提供 1.87 萬平米的科研辦公空間。

擴建后的博物館采用“一館兩翼”的布局，新老館之間設置通高公共大廳，作為核心的空間樞紐。觀眾可通過門廳扶梯便捷到達各個樓層，也可從大廳沿江一側的景觀坡道盤旋而上，沿途眺望錦江風光。坡道外側為超大板塊玻璃幕墻，形成畫框般的景象，實現博物館與城市環境的對話。