Bảo tàng được thiết kế gắn liền với ký ức chiến dịch Điện Biên Phủ, địa hình lòng chảo Mường Thanh và hình ảnh người lính trong cuộc kháng chiến chống thực dân Pháp.

Công trình được tổ chức như một khối kiến trúc thấp, chắc và trải rộng trên mặt đất. Hình khối chính của công trình được phát triển từ dáng hình nón cụt, gợi liên tưởng đến chiếc mũ nan lưới phủ lá ngụy trang của người lính Điện Biên năm xưa. Lớp vỏ bao quanh công trình được tạo hình bằng các mô típ quả trám, như một sự chuyển hóa kiến trúc từ tấm lưới ngụy trang trên chiếc mũ bộ đội. Hệ mô típ này làm cho khối công trình lớn trở nên mềm hơn, đồng thời tạo ra một bề mặt giàu tính thị giác.

Ý tưởng kiến trúc của bảo tàng không tách rời bối cảnh Điện Biên. Công trình được đặt trong mối liên hệ với địa hình đồi núi, thung lũng, công sự và hệ thống giao thông hào từng gắn với chiến dịch. Các lối đi bên ngoài được tổ chức nhằm tạo cảm giác người tham quan đang tiến vào một không gian ký ức, nơi hành trình tiếp cận bảo tàng cũng là một phần của trải nghiệm lịch sử. Thay vì chỉ đứng bên ngoài để quan sát, người xem được dẫn dắt đi qua các lớp không gian, từ cảnh quan, lối tiếp cận, khối vỏ, đến nội thất trưng bày. Về vật liệu, công trình sử dụng đá xám địa phương cho lớp vỏ bên ngoài, tạo nên cảm giác bền vững, trầm tĩnh và phù hợp với sắc thái tưởng niệm. Màu xám của đá không tạo hiệu ứng phô diễn, mà giữ cho công trình một vẻ nghiêm cẩn cần thiết.

Không gian bên trong bảo tàng được tổ chức theo hướng kết hợp giữa trưng bày tư liệu, hiện vật, mô hình, hình ảnh và các phương tiện trình chiếu hiện đại. Công trình gồm tầng hầm và tầng nổi, trong đó khu trưng bày chính được bố trí để kể lại chiến dịch Điện Biên Phủ theo trình tự lịch sử. Người xem được dẫn qua các chủ đề từ bối cảnh cuộc kháng chiến chống thực dân Pháp, chủ trương và diễn biến chiến dịch, đến tác động của chiến thắng Điện Biên Phủ đối với Việt Nam và thế giới.

Điểm nhấn quan trọng nhất của bảo tàng là không gian tranh Panorama “Chiến dịch Điện Biên Phủ”. Đây là một không gian tròn, nơi người xem đứng ở trung tâm và được bao quanh bởi hình ảnh tái hiện chiến dịch. Trong cấu trúc này, kiến trúc không chỉ đóng vai trò bao che, mà trở thành một thiết bị thị giác. Không gian tròn giúp người xem không còn quan sát lịch sử từ một khoảng cách xa, mà được đặt vào giữa một trường cảnh liên tục, nơi hình ảnh, ánh sáng, âm thanh và tỉ lệ cùng tạo nên trải nghiệm nhập cuộc.