In de tuin is een nieuw, transparant paviljoen met entreehal, museumwinkel en auditorium ontworpen. Deze uitbreiding is vormgegeven als een hedendaagse orangerie die tegen de monumentale tuinmuur ligt. Vanuit de orangerie begint de publieksroute door de museumzalen in de verschillende historische bouwdelen. Het bestaande monument is geheel gerestaureerd en getransformeerd tot museum. De historische structuur is leesbaar gemaakt door latere toevoegingen te verwijderen en originele elementen zoals balkplafonds, deuren en raamkozijnen te restaureren. Het Stedelijk Museum is gesitueerd op de begane grond en in de kelder; Museum Henriëtte Polak ligt op de eerste verdieping. Beide musea delen een vleugel met zalen voor wisselende exposities. Deze vleugel is bouwkundig geoptimaliseerd om aan de hoge klimaat- en veiligheidseisen voor wisselende exposities te voldoen. Tussen beide verdiepingen is een nieuwe trap ontworpen, waardoor de wisseltentoonstelling een eigen routing heeft.

Bij de transformatie van het stadspaleis vormden de verbetering van het binnenklimaat, de verduurzaming van het rijksmonument, de beperking van beheerskosten en een goede beveiliging een belangrijke opgave. Klimaat-, licht- en beveiligingsinstallaties zijn op slimme manieren in de constructie geïntegreerd. De luchtkanalen zijn in de bouwkundige vloeren en wanden aangebracht en de lucht door bouwkundige spleten - zonder roosters - ingeblazen. Verlichting is volledig op basis van LED en bewegingsmelders, verwarming is op basis van lage temperatuur en warmteterugwinning uit de ventilatielucht. De gevels zijn aan de binnenzijde geïsoleerd en de monumentale kozijnen zijn van voorzetramen voorzien. Aan de buitenzijde zijn automatisch bedienbare luiken aangebracht om het museumklimaat beter te kunnen reguleren, het zonlicht te temperen en de beveiliging te optimaliseren.