洛阳博物馆位于城市的中轴线上，北临洛浦公园，南接隋唐城遗址植物园。占地300亩，建筑面积6.2万平方米，其中地上面积4.2万平方米，地下2万平方米，总投资3.5亿元。
主体建筑
洛阳博物馆采用"鼎立天下"的设计理念，整体建筑外观为大鼎造型，以非对称的空间结构为支撑，借鉴园林手法在方形流线的转折位置设置庭院和采光天井，使空间布局达成动态的均衡。
外部建构了大尺度的起伏地形，内部则通过建构相对应的一系列空间的连接来暗示“虚空”的概念主题，并通过屋面开放的13个遗址考古场景的再现，深刻地揭示了洛阳这座千年古都的厚重内涵，将场地特质与建筑概念融为一体。充分体现了洛阳十三朝古都的在都城文化、遗址文化、河洛文化、园林文化、地理形胜等五个方面中表现的历史内涵和文化特色。
整个建筑由主楼和附楼两部分组成，长230米、宽140米。
洛阳博物馆设计在空间布局上充分吸收了园林布局手法，结合展览流向设置了不同位置、大小、特色的内庭园和采光天井，使游人在参观中始终保持与自然的亲密接触。
天枢观光塔
洛阳博物馆前的观光塔，仿照武周时的“天枢”而建。八棱柱高39米，观光塔顶部雕塑4条站立的龙高9.5米，龙托起的“火珠”直径3.9米，龙和“火珠”均为铜制品。
天枢，是武则天纪功柱。寓意“天下中枢”，乃武周盛世的标志、世界中心的象征。位居世界三大纪功柱（中国武周王朝天枢、罗马图拉真纪功柱、印度阿育王石柱）之首。
全称“大周万国颂德天枢”，标志着中国古代国际地位达到顶峰，是武周帝国屹立于世界之巅，统领万国、协和万邦的见证。长寿三年（694年）八月，世界各国元首在波斯国大酋长阿罗憾等人的号召下，请求用铜铁铸造天枢，铭纪功德，黜唐颂周。开元初被唐玄宗销毁。
洛阳博物馆前的天枢为意向性设计，并非原址重建。天枢遗址位于隋唐洛阳城轴线端门以南靠近洛河北岸，经过一千多年由于洛河摆动天枢遗址已不复存在。
博物馆顶
洛阳博物馆屋顶按功能划分为13个部分，象征在洛阳建都的13个朝代。屋顶连绵起伏，再现了洛阳历史上作为都城的恢宏气象。屋顶设置不规则的采光孔，同时屋顶的拓扑组合，抽象地表现了河图洛书的意象。并在博物馆南面设计了以“河图洛书”为主题的绿化广场。
博物附楼
附楼的形体处理采用地景手法，解决了主体与陪衬的形体关系，形象地再现了洛阳城市选址背负邙山、南望伊阙的地理特征。
