El edificio original, diseñado por el arquitecto Julio Bravo, es una muestra de la arquitectura industrial aragonesa de principios del siglo XX. Su interior albergaba, en origen, los talleres de carpintería y otros oficios del antiguo Hogar Pignatelli, donde había ejercido como maestro carpintero el abuelo de Pablo Serrano. Después de haber cesado su actividad, y tras unas décadas de abandono, dichas naves fueron cedidas en los años ochenta del siglo XX por su institución propietaria, la Diputación Provincial de Zaragoza, a la Fundación-Museo Pablo Serrano, constituida el 29 de julio de 1985.

En 1987 dio comienzo la rehabilitación y acondicionamiento de las naves, con proyecto del arquitecto José Manuel Pérez Latorre. El museo se inauguró el 27 de mayo de 1994.

Se utilizó el hormigón como elemento constructivo. Este material fue el que confirió al edificio una fisonomía propia, al presentar los acabados al exterior en este material.

A resultas de las obras de adecuación del edificio de Julio Bravo, el museo se dotó de unos espacios abiertos, amplios, aunque intimistas, estructurados en dos plantas: planta calle y sótano.

En la planta calle tenían cabida la dirección, administración, departamentos técnicos, archivo, biblioteca especializada en arte contemporáneo y museología y centro de documentación. A estos espacios cabría sumar los tres talleres destinados a actividades didácticas y los espacios expositivos:

• Sala de Exposición Permanente, la de mayor tamaño. En ella se exhibía, de forma monográfica, una selección de los fondos de Pablo Serrano.
• Sala de Exposiciones Temporales, en el pasillo de comunicación. Dedicada a la exhibición de exposiciones y montajes de arte contemporáneo.
• Sala de Exposiciones Temporales 3B. Se trataba de un espacio de grandes dimensiones, diáfano, destinado a muestras temporales.

Por último, bajo rasante, se ubicaban las áreas de reserva, donde se custodiaban los fondos no expuestos de Pablo Serrano junto a las colecciones de arte contemporáneo del Gobierno de Aragón asignadas al Museo de forma estable.

Tras la disolución de la Fundación-Museo Pablo Serrano, el 20 de junio de 1995, y la creación del actual Instituto Aragonés de Arte y Cultura Contemporáneos Pablo Serrano, el 5 de julio de 1995, el Gobierno de Aragón emprendió en el año 2008 una ambiciosa ampliación. El objetivo fue, tal y como se recoge en el acuerdo para la Ejecución del Proyecto de reforma y ampliación del Museo Pablo Serrano, que “el Museo se convierta en el imprescindible Centro de Arte Contemporáneo en el que se puedan acoger las colecciones del Gobierno de Aragón y un conjunto de actividades contemporáneas de modo que el Gobierno ejerza su competencia garantizando el adecuado mantenimiento de los museos”.

A través de dos actuaciones, se aumentó la superficie útil del Museo pasando de los 2.500 m² a los más de 7.400 m² actuales, quedando inaugurado en marzo de 2011.

Como primera intervención, se realiza una excavación bajo la sala que albergaba la antigua muestra permanente de Pablo Serrano con el objeto de ampliar las áreas de reserva.

La segunda intervención, la más impactante visualmente, se lleva a cabo mediante una ampliación en vertical del edificio original, sobre sus cubiertas de diente de sierra. Esta actuación se ejecuta mediante la elevación de una gran estructura metálica autosustentada sobre cuatro grandes soportes verticales de hormigón armado. Este gran cuerpo destaca poderosamente al exterior a través de sus contundentes volúmenes geométricos y sus acabados de planchas metálicas lacadas en negro y azul.

En la planta baja se ubican los accesos del público, a través del Espacio Pórtico, las zonas de control, información y consigna, así como la sala de exposiciones temporales 00, mientras que en las restantes plantas se sitúan otras salas expositivas, tanto las dedicadas a Pablo Serrano, en las plantas 01 y 02, como las actualmente destinadas a la muestra del arte aragonés contemporáneo, en las plantas 03 y 04.

El acceso a las plantas superiores y a la magnífica terraza que corona el edificio se realiza mediante ascensores y escaleras mecánicas alojadas en un lateral de la fachada.

Por último se acometió una intervención que afectó a la Sala 3B, antigua sala de exposiciones temporales del museo, que quedó dividida en dos alturas mediante unos nuevos forjados. La parte superior alberga ahora la Dirección, Administración, Departamentos Técnicos, Archivo y Biblioteca, mientras que en la inferior se localizan una sala de conferencias y el acceso al público desde el Paseo María Agustín.

En los espacios de conexión entre ambos edificios se mantiene una sala de exposiciones temporales, la Sala 94.