Der markante Bau an der einstigen Diplomatenrennbahn wurde nach Plänen des Wiener Architekten Gustav Peichl errichtet. Es war nicht zuletzt der heitere, poetische Charakter seiner Architektur, der unter den 35 für den Ideenwettbewerb eingereichten Entwürfen den Ausschlag gab.
Im Juryprotokoll aus dem Oktober 1986 heißt es: „Der überarbeitete Entwurf versucht verstärkt, Demokratie in der Mitte Europas sowohl funktionell als auch gestalterisch in den Neubau der Kunsthalle Bonn einzubringen. Abgeschlossene funktionsgerechte Raumentwicklung einerseits und eine durch einen poetischen Charakter versuchte Ausstrahlung nach außen geben dem Bauwerk eine eigenständige Physiognomie. (...) Die aufregenden individuell gestalteten Lichttürme mit Steinverkleidung und Kupferblechabdeckung sollen den kulturellen und künstlerischen Inhalt des Gebäudes signalisieren.“
Die drei markanten, elegant zugespitzten Lichtkegel, die heute in einer leuchtend blauen Majolika-Verkleidung erstrahlen, entwickelten sich von Beginn an nicht nur zum Wahrzeichen des Hauses, sondern auch zu einem Wahrzeichen der Stadt.
Die Architektur bietet ein differenziertes und variables System von kleinen, mittleren und großen Räumen mit insgesamt 5.600 m², die sowohl mit Tages- als auch mit Kunstlicht beleuchtet werden können. Das Raumprogramm lässt jede Form von Ausstellung zu, sei es eine raumgreifende Großausstellung oder eine kleine Kabinettausstellung. Die bepflanzte Dachlandschaft, die fünfte Fassade, wie sie vom Architekten genannt wurde, dient als öffentlicher Raum für Skulpturen- und Gartenausstellungen und erweitert die Ausstellungsfläche um 8.000 m².