地質博物館采用在自然界經過億萬年演化而成的奇石形象塑造建筑，形體模擬地質構造的特殊形態，立面抽象自巖石經過億萬年沉淀后形成的層層疊疊，建筑整體完美地融入整個自然環境，表現出鮮明的生態感，達到現代建筑與遠古地質環境的和諧統一。

博物館平面以半地下沙盤為中心呈螺旋上升式布局，充分考慮布展及參觀需要，突出展示遠古地質生態變遷的主題。博物館的形體設計追求大地地質景觀效果，景觀設計中極力滲透博物館的基本元素和構成手法。博物館前的層疊廣場上自然而設的巖石標本墻展示將參觀者引入渾然質樸的地質環境中，用碎石鋪設的廣場更加回歸自然，同兩側山體相互呼應，屋頂花園與建筑北部水池的設計，使建筑完美地融入山地的自然環境中，體現了建筑本身源于自然、融于自然的設計理念。

建筑方案從原始設計到最終建成，歷經十年磨礪，數次修改完善，終于展現在世人眼前。博物館“層疊”的構思原本來自建筑師收藏的一塊奇石，出人意料的是，當建筑開始進行地基處理時，挖開后的巖層，層層疊疊，縱向排布，涇渭分明，地質博物館所主要展示的中上元古界地質相互擠壓而形成的特殊地貌就這樣猛然間呈現出來，無比深刻地契合了建筑的立意主題。

建筑主體采用毛石毛砌，毛石的粗獷隨意與建筑的曲線造型相得益彰，完美和諧。毛石購自薊縣山中一處廢棄的山村，據當地村民所述，張藝謀亦曾發現此處想做外景。村民早已搬遷新地，石屋也完全廢棄。博物館在設計之初便想采用毛石立面，然而采用新開采的毛石砌筑的樣本墻，呆板陰沉，甚不合意，幸而有人提起這處廢棄山村，才解燃眉之急。隨著博物館建成，這些經過時間流逝而留下斑駁印記的古老村屋毛石重新煥發了生機和光彩。