O Museu do Amanhã tem arquitetura sustentável que dialoga com seu conteúdo. Assinado pelo arquiteto espanhol Santiago Calatrava, o projeto é voltado para o melhor aproveitamento de recursos naturais da região. A tecnologia empregada na captação da energia solar e o uso das águas geladas do fundo da Baía de Guanabara no sistema de ar condicionado estão entre seus diferenciais. São utilizados 400.000 litros/hora de água - se o Museu do Amanhã operar 24hrs/dia, ele terá aproximadamente 10 milhões de litros/dia passando por seus sistemas, tanto de ar condicionado quanto de troca de água dos espelhos d'água. Suas aletas fotovoltáicas - as hastes do telhado do Museu cobertas por painéis de captação de energia solar - captam aproximadamente 185 quilowatts/hora, o  que representa uma possibilidade de abastecer mensalmente 450 residências.

A água da Baía é captada pelo museu com duas finalidades: para abastecer os espelhos d’água e para o sistema de refrigeração, onde é utilizada na troca de calor. Depois de passar por filtragem de sólidos e usada na climatização do Museu, é devolvida ao mar. O uso racional da água também se dá no tratamento e na reutilização das águas de pias, lavatórios, chuveiros e chuvas, além do volume proveniente da desumidificação do ar (o “pinga-pinga” do ar condicionado) – que sozinho pode render até 4 mil litros de água ao dia.

Parte da energia utilizada no edifício é gerada pela captação de energia solar: as grandes estruturas de aço instaladas em sua cobertura móvel servem de base para placas fotovoltaicas e, ao longo do dia, se movimentam como asas para acompanhar o posicionamento do sol. O projeto também prioriza a entrada de luz natural. Já o projeto de paisagismo, assinado pelo escritório Burle Marx, traz espécies nativas, que necessitam de pouca rega, ressaltando a vegetação típica da região costeira da cidade – são mais de 5.500 metros quadrados de área de jardins.
 
Gestão de resíduos durante a obra

Medidas voltadas para sustentabilidade ambiental foram adotadas desde o início da construção do museu, com a redução e correta destinação de resíduos para reciclagem – sobras das estacas das fundações, por exemplo, foram utilizadas na construção dos barracões usados na obra. Foram poupadas toneladas de aço com essa ação. A seleção de materiais também seguiu critérios ambientais, dando preferência a materiais com componentes reciclados, baixa toxidade, alta durabilidade e produzidos próximos ao local da obra, além da utilização de madeira certificada FSC.

A construção do Museu está incluída no conjunto de obras da Prefeitura da Cidade do Rio de Janeiro realizadas pelo Consórcio Porto Novo, através da maior Parceria Público-Privada (PPP) do país.  O Museu do Amanhã é uma iniciativa da Prefeitura do Rio, concebido e realizado em conjunto com a Fundação Roberto Marinho, instituição ligada ao Grupo Globo, tendo o Banco Santander como Patrocinador Master e a Shell como mantenedora. Conta ainda com a Engie, IBM e IRB Brasil Resseguros como Patrocinadores, o Grupo Globo como parceiro estratégico e o apoio do Governo do Estado, por meio da Secretaria de Estado do Ambiente, e do Governo Federal, por intermédio da Financiadora de Estudos e Projetos (Finep) e da Lei Federal de Incentivo à Cultura. A instituição faz parte da rede de museus da Secretaria Municipal de Cultura. O Instituto de Desenvolvimento de Gestão (IDG) é responsável pela gestão do Museu.