植物馆建筑面积约10,000平方米，建筑设计理念为“升起的地平”，建筑表面机理以植物根系为灵感，庞大的垂坠根系向下不断蔓延，将植物原本隐藏于地下的强大生命力直观呈现给参观者，不仅产生强烈的视觉冲击，更带领参观者踏上一场以感受植物根系力量为起点的奇妙植物世界之旅。
植物馆建筑分为三层，一层设有热带植物温室，占地约3000平方米，汇聚600多种珍贵植物。通过红树林、热带雨林、蕨类、棕榈、多浆植物、食虫植物、苔藓等展现植物王国的多样性以及植物生存和适应环境的智慧，设有5大展区12个景点。人工红树林，再现红树林适应海潮涨落演化出的胎生、支柱根、泌盐等特征，彰显海岸卫士的生态功能；热带雨林着力展现植物与植物、植物与动物之间竞争、协同的关系，如空中花园、独木成林、老茎生花、滴水叶尖、巨叶现象、绞杀现象等；棕榈科植物和蕨类植物展示其卓越的传播繁衍智慧；多浆植物通过茎叶的变态进化出适应干旱环境的能力；食虫植物靠食肉来摄取营养；植物王国的小矮人苔藓如何找到适合自己的生存空间。展馆通过一系列高科技创意手法，向参观者充分展示“植物的智慧”，呼唤人类保护植物，关爱地球，关注人类的未来。
建筑二层为绿色多功能报告厅，会期将陆续举行红树林、植物科学画等分主题展览。从一层沿着展厅东部的垂直交通路径向二、三层攀爬时，能够享受到从高空俯视红树林植物冠部的极致美景。
此外，植物馆屋顶设计也是一大亮点，屋顶观景平台设有中信植物主题咖啡书店和纪念品商店，站在这里登高远眺，可以将妫水河、海坨山以及中国馆、天田山等北京世园美景尽收眼底。