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Las amplias salas centrales del edificio son abovedadas, destacando la rotonda norte constituida por ocho columnas de orden dórico y cubierta con bóveda de casetones. 
Al exterior, eledificio presenta dos plantas, mostrando en las alas longitudinales una logia adintelada en la superior y una arquería ciega en la inferior, alternando los arcos con hornacinas cuadrangulares en lasque se ubican grandes maceteros y estatuas. Sobre estas hornacinas se encuentran medallones con las efigies de importantes escultores, pintores y arquitectos hispanos. 
Una de lascaracterísticas definitivas de esta construcción es la alternancia entre piedra y ladrillo, que se convertirá en una constante de la arquitectura de Villanueva y en una significativa influencia en lamadrileña arquitectura contemporánea. 
La simplicidad del diseño, su alineamiento horizontal y el carácter de su volumen abstracto han sobrevivido casi intactos a través del tiempo. Su disposicióncúbica y maciza resume el espíritu del neoclasicismo. Sin embargo, también la obra de Villanueva acrecienta su monumentalidad por su relación con la vasta explanada delantera con la que condesciendeen su longitud y altura visual. La planta está sustentada en diferentes episodios formales que responden a distinta función. Tal funcionalismo se refleja en la propia separación en dos nivelesdistintos (bajo y alto) de la actividad científica y en las propias entradas con deliberada orientación opuesta. Se ha calificado su diseño de voluntad diacrítica ya que cada cuerpo seindependiza formal y volumétricamente. Sin embargo, el enlace estructural se logra por la unidad de los materiales y una sincronización armónica de los cuerpos diferenciados. Su heterogeneidad es unvalor añadido, como lo es también su analogía con la arquitectura religiosa por su inserción central basilical, su pronaos y el zaguán que evoca el espacio transicional de un nártex.