De plan carré, les espaces sont dessinés en fonction de la topographie pour respecter autant que possible le sous-bois de 5 ha choisi pour implanter le musée. Les façades de béton, laissé brut, font écho aux rochers de grès environnants. Des patios, des sheds dans le toit et de nombreuses baies vitrées font le lien entre intérieur et extérieur, permettant l’apport de lumière naturelle.
Le musée présente la Préhistoire de la région Île-de-France depuis l’apparition de l’Homme jusqu’à l’âge du fer à travers un double parcours. Les salles principales présentent le quotidien des peuples au grand public et sont complétées par des salles secondaires pensées comme des galeries d’étude. Un jeu de rampes inclinées permet de contempler les objets archéologiques en surplomb, comme découverts lors des fouilles.