Để kỷ niệm đại lễ 1000 năm Thăng Long - Hà Nội, một dự án xây dựng mới bảo tàng Hà Nội đã được thực hiện với số tiền đầu tư rất lớn, Bảo tàng Hà Nội mới nằm trong khu vực xây dựng Trung tâm Hội nghị Quốc gia Việt Nam tại phường Mễ Trì, quận Nam Từ Liêm; có kết cấu hình kim tự tháp ngược, trong đó tầng 4 có diện tích lớn nhất, các tầng dưới nhỏ dần. Thiết kế của Liên doanh tư vấn GMP - ILAG (Đức); được xây dựng trên tổng diện tích khoảng 54.000 m², cao 30,7 mét. Công trình gồm 4 tầng nổi và 2 tầng hầm; diện tích xây dựng xấp xỉ 12.000 m², diện tích sàn hơn 30.000 m² (kể cả tầng hầm và tầng mái). Bảo tàng đã được khánh thành vào ngày 6 tháng 10 năm 2010. Ước tính có 50.000 hiện vật được trưng bày tại đây.
Kiến trúc của bảo tàng được thiết kế theo hình kim tự tháp ngược, giật cấp với 4 tầng nổi (tầng 4 có diện tích lớn nhất, các tầng dưới nhỏ dần) và 2 tầng hầm. Hình khối kiến trúc đó khiến công trình có kết cấu phức, đòi hỏi nhiều yêu cầu kỹ thuật cao lần đầu tiên áp dụng tại Việt Nam.
Lối kiến trúc này khởi nguồn từ những năm 70 và 80 của thế kỷ 20 và nhanh chóng nổi tiếng trên toàn thế giới. Các công trình được thi công từ tầng cao nhất với bốn cột trụ, rồi lần lượt xây xuống các tầng dưới. Kim tự tháp ngược ở Slovakia, tiền sảnh tòa nhà Easar Palace ở Las Vegas, tòa nhà Vương miện phương Đông ở Trung Quốc là những công trình nổi tiếng trên thế giới áp dụng lối kiến trúc này.
Phía trong Bảo tàng, không gian kiến trúc nội thất tiếp tục đưa người xem đến với những bất ngờ khác. Ngay tại sảnh chính, ta có thể quan sát toàn cảnh không gian thông tầng hình tròn, một đường dốc có hình xoắn ốc nối liền cả bốn tầng. Dàn đèn lớn chính giữa sảnh có khuôn tròn, giữa hình chữ thập; nhìn từ dưới ta có cảm giác nó giống như một chiếc nón khổng lồ có chóp vươn tới nóc bảo tàng.
Đó là ý tưởng của các nhà thiết kế khi tạo nên một đường xoắn ốc ngược chiều kim đồng hồ phía trong Bảo tàng - lối đi bộ nối các tầng với nhau. Du khách sẽ tiếp tục đi theo hướng này vòng quanh sảnh ngoài của mỗi tầng để tham quan. Đây cũng chính là “dải cuốn” kết nổi quá khứ với hiện tại, đưa người tham quan ngược dòng thời gian chứng kiến những dấu tích lịch sử của Thủ đô nghìn năm tuổi.
Với ý tưởng kể cho người tham quan câu chuyện về lịch sử Thủ đô, các hiện vật trong bảo tàng được trưng bày, sắp đặt theo trình tự thời gian. Các địa điểm, vật thể, sự kiện, con người được kết nối thông qua các câu chuyện tường thuật giàu cảm xúc.
Nếu như kiến trúc tổng thể của Bảo tàng là một điểm nhấn về sự phát triển của Thủ đô thì nội dung trưng bày chứa đựng những nét tinh hoa và linh hồn của Hà Nội suốt chiều dài nghìn năm lịch sử.
Ấn tượng nhất chính là mô hình tái hiện Vườn Quốc gia Ba Vì với hệ động - thực vật phong phú, nhiều loài thực vật quý hiếm như: Bách xanh, Thông tre, Sến mật…, có loài chỉ có ở Ba Vì như: Cà lồ, Bời lời, Xương cá…
Tuy nhiên, đáng chú ý nhất là khu vực trưng bày ở tầng 3 bởi số lượng hiện vật vượt trội và rất phong phú. Các hiện vật ở đây chủ yếu đến từ bộ sưu tập tư nhân của hai nhà sưu tập Vũ Tấn và Nguyễn Đình Sử.
Không chỉ có số lượng hiện vật nhiều nhất, bộ sưu tập của ông Sử còn cực kỳ phong phú. Trong đó, nhiều hiện vật được đánh giá là “vô giá” như: một loạt trống đồng cổ, đồ đất thời Lý, đồ đồng Lý-Mạc, đồ đồng Đông Sơn, gốm sứ Bát Tràng và bộ sưu tập tiền cổ với nhiều đồng tiền cực kỳ quý hiếm có tuổi đời cả nghìn năm trải từ các triều đại Đinh - Lê - Lý - Trần. Khu trưng bày hiện vật của ông Sử được quây kín và được cạnh gác nghiêm ngặt bởi hệ thống camera và bốn vệ sĩ riêng.
Phía ngoài, không gian công viên Bảo tàng hiện nay còn có thêm khu vực trưng bày của Hội sinh vật cảnh TP Hà Nội và các tỉnh, thành phố khác. Những chậu cây cảnh quý, cây thế làm sinh động, tươi đẹp thêm không gian của Bảo tàng, tạo ra thêm những điểm dừng chân.