Il museo si propone come nuovo salotto urbano di questa antica città dell'estremo nord della provincia cinese dello Shanxi. È un edificio dalla forma scultorea che emerge dal terreno con una serie di piramidi interconnesse circondate da piazze paesaggistiche mentre sottoterra sono distribuiti gli spazi espositivi della galleria principale.
Questa complessa figura geometrica è stata sviluppata dagli architetti per ottenere ampie campate libere da sostegni verticali e di conseguenza degli ottimi spazi espositivi, flessibili e configurabili in funzione delle necessità. Il Datong Art Museum dispone di tre piani principali, più un seminterrato. La maggior parte della struttura dell'edificio è stata incassata nel terreno per cercare di evitare che il costruito dominasse sul paesaggio naturale locale. Oltre alla sua complessità visiva, il tetto, rivestito con lastre di acciaio resistente agli agenti atmosferici, è ben isolato per aiutare ad affrontare il clima locale, che può produrre temperature notevolmente fluttuanti. Grazie alle falde inclinate, sulle quali sono installati lucernari per massimizzare la luce naturale, si facilita il drenaggio dell'acqua piovana.
I visitatori, entrando nel museo sono accolti da un soppalco che si affaccia sulla Grande Galleria, uno spazio alto 37 metri con una campata di 80 metri. Questo costituisce il cuore del museo ed è utilizzato per opere d'arte su larga scala, performance art ed eventi. Il museo è completato da una serie di spazi dedicati all'educazione e all'apprendimento, tra cui una mediateca, un archivio e depositi per la conservazione delle opere d'arte. C'è anche una galleria dedicata e un centro educativo per bambini, che è fiancheggiata da alte finestre rivolte a sud per massimizzare la luce solare.