Het Limburgs Museum is ontworpen door Jeanne Dekkers. Het gebouw bestaat uit twee hoofdelementen die elk hun eigen functies hebben; het gesloten deel herbergt de collecties en exposities van het museum, in het transparante deel bevinden zich kantoren, vergaderzalen en een restaurant. De toegang tot het gebouw vindt plaats tussen de twee bouwmassa's, door middel van een uitwaaierende licht stijgende trap die leidt naar de grote open foyer tussen de muur en de glazen doos. Het museumgedeelte bestaat uit een licht gebogen muur met een lengte van 100 meter en een hoogte van 16 meter.

De muur is aan de buitenzijde gemetseld met een grove rode baksteen. Door de toepassing van twee verschillende dikten steen en een grijze diepterugliggende voeg ontstaat een muur met een zeer karakteristieke natuurlijk uitziende textuur. De binnenzijde van de muur is gemaakt van roze-roodkleurige beton.
De bezoeker kan naar eigen voorkeur vanuit de centrale gang een bepaalde themaruimte binnengaan. Vanuit die ruimte is het mogelijk om naar een aangrenzende ruimte te gaan, of weer terug te keren naar de gang. De gang wordt zo een metafoor van de reis door de tijd die de museumbezoeker maakt.

Het transparante deel van het museum herbergt op de begane grond het restaurant en op de verdieping de kantoren en de vergaderruimten voor de museummedewerkers. Opvallend is verder dat de constructie van dit bouwdeel overal in het zicht gelaten is; zo zijn de kolommen met stalen liggers op sommige plekken nadrukkelijk in de ruimte aanwezig. Elke ruimte in dit deel van het gebouw heeft een grote mate van transparantie door de toepassing van grote glazen ramen.

Tenslotte is er nog de grote foyer tussen de twee delen van het museum. Enerzijds vormt deze de toegang tot het totale museum, anderzijds vormt het de verbinding tussen de zalen en de publieke ruimten en kantoren. Deze verbinding is gecreëerd met behulp van een tweetal bruggen die elk op een bijzondere manier gematerialiseerd zijn. De onderste brug is uitgevoerd als een betonnen trap met aan beide zijden een verschillende trapleuning. De bovenste brug is uitgevoerd als een hangende metalen constructie, die deels overdekt wordt met een blauw geschilderd dak. Hierdoor lijkt het bijna alsof men boven het gebouw uitstijgt.

Het museum staat op een plek waar eeuwenlang de stadsmuren en vestingwerken van de stad Venlo lagen. Nadat deze in 1870 gesloopt waren werd het terrein gebruikt als rangeeremplacement voor particuliere spoorwegmaatschappijen, die via Venlo een belangrijke internationale verbinding onderhielden. Na de Tweede Wereldoorlog werd op het terrein het Julianapark aangelegd. Aan de zijde van het station is tevens het oudst in Nederland bewaard gebleven tankstation terug te vinden. Dit Esso tankstation werd gebouwd in 1933 en heeft sinds de jaren zeventig aan verscheidene instanties en bedrijven onderdak geboden. De geschiedenis van het terrein is voor Jeanne Dekkers een belangrijke bron van inspiratie geweest bij de totstandkoming van haar ontwerp voor het museum. Het duidelijkst is dit terug te vinden in de enorme rode stenen muur die gebaseerd is op de oude stadsmuren die ook in rode baksteen uitgevoerd waren. De directe inspiratie hiervoor was afkomstig van een schilderij van Frans Everts uit 1613: "Het beleg van Venlo". waarop de rode stadsmuren te zien waren. Net zoals de oude stadsmuren de stad moesten beschermen, is ook de muur van het museum licht gebogen om zo als het ware het centrum van de stad te omarmen. Ook de opbouw van het museum in combinatie met het materiaalgebruik draagt een bepaalde symboliek met zich mee:

De museumzalen zijn aan de buitenzijde voorzien van een gevelbekleding bestaande uit red cedar hout. De toepassing van hout staat symbool voor de bouwwijze met hout vanaf de Jonge Steentijd. De rode muur die opgetrokken is uit baksteen symboliseert de bouwwijze in de Romeinse Tijd en de Middeleeuwen. Het transparante deel met de publieke functies, een combinatie van staal en glas, symboliseert het bouwen in de moderne tijd
Op die manier vertelt het museum niet alleen de cultuurgeschiedenis van het gebied, maar in zekere zin ook een stukje Nederlands bouwgeschiedenis. Het tankstation is nu in gebruik als informatiecentrum.