År 1901 bjöds finländska arkitekter in att delta i planeringen av ett arkeologiskt-historiskt-etnografiskt museum. När tävlingen avslutades i juni 1902 hade totalt 15 förslag lämnats in. Arkitekttrion Herman Gesellius, Armas Lindgren och Eliel Saarinen vann tävlingen med sitt förslag ”Carl XII”, som hade nationalromantiska drag och representerade jugendstilen.
Nationalmuseums exteriör hämtar fritt arkitektoniska motiv från olika perioder i Finland. I det nationalromantiska formspråket finns bland annat motiv från finländsk kyrko- och slottsarkitektur, och fasadernas dekorativa motiv består typiskt av ornament med natur- och djurmotiv. Som ytmaterial har, utöver täljsten och puts, grovt bearbetad inhemsk granit använts.
Nationalmuseum öppnade för allmänheten 1916
Nationalmuseum byggdes 1906–1910, när området var ett villaområde och nästan landsbygd. Ursprungligen skulle museet öppna för allmänheten redan 1914, men på grund av första världskriget måste samlingarna evakueras och museet kunde till slut öppna 1916. Muren och gårdsparksområdena färdigställdes i början av 1920-talet.
Museibyggnaden konstaterades redan från början vara för trång för att visa nationalsamlingarna. Den första planen för en utvidgning gjordes redan 1904 av arkitekterna Gesellius, Lindgren och Saarinen, som ansvarade för den ursprungliga planen. Den senaste utvidgningsplanen före den nu genomförda tillbyggnaden gjordes av Aarno Ruusuvuori 1986. Ingen av dessa planer på tillbyggnader genomfördes någonsin.

Nationalmuseums byggnadsarbetare vid grundstensläggningen i juni 1906. Längst fram, först och tredje från vänster, står byggmästarna August Pettersson och Frans Johansson. Bakom dem står en grupp ansvariga arbetsledare.
En jugendpärla i Helsingfors
Museibyggnaden, som öppnade för allmänheten 1916, är ett av den nationalromantiska arkitekturens främsta verk och tolkar samtidigt olika skeden i Finlands arkitekturhistoria. Med sina växt- och blomornament är Nationalmuseum också ett stilrent exempel på Helsingfors jugendarkitektur. I museibyggnaden finns många små detaljer med hänvisningar till olika skeden i Finlands historia, arkitektur från olika perioder och finländsk mytologi.
Nationalmuseum representerar den museiarkitektur som var på modet kring sekelskiftet 1800–1900, där byggnadens olika delar uttryckte de olika samlingarnas karaktär samt olika skeden i Finlands arkitekturhistoria. Interiörerna visar också drag av den nya arkitekturen från 1900-talets första årtionden. Museet representerar sin tids nya planeringsideal, där museet breder ut sig som flygelbyggnader kring en central hall och varje flygel representerar en viss period eller del av samlingarna.
Varje avdelning har byggts för att gestalta karaktären hos den period som presenteras, vilket skapar en stark variation i byggnadens yttre. I de rum som varierar i storlek och form har man medvetet undvikit stelhet och symmetri.
Som förebild för Freskohallen, som utgör byggnadens kärna, stod hallen i Finlands paviljong vid världsutställningen i Paris 1900. De pelarburna valven pryds av Akseli Gallen-Kallelas Kalevala-inspirerade fresker, som konstnären till stor del skapade utifrån de fresker han hade utfört i paviljongen i Paris.
Nationalmuseums torn
Det 58 meter höga Tornet är ett av huvudstadens viktigaste landmärken. Det syns som slutpunkt för Mannerheimsvägen från både den gamla stadskärnan och från norr. Tornet är byggt av tegel. Utvändigt finns en oregelbunden granitmurning utförd med tekniken Rubble Wall. Den översta delen under koppartaket består av frilagt tegel.
Ursprungligen planerades även en klocka för Tornet, men den togs bort från arbetsritningarna 1905. Klockan blev därför aldrig verklighet och i dess ställe finns ett runt dekorativt motiv.

Nationalmuseums torn under uppförande 1908.
Freskerna i taket i Freskohallen
Det var typiskt för jugendstilen att se byggnaden som ett totalverk där man, utöver själva byggnaden, också planerade interiörer och till och med möbler så att de passade helheten. Därför ingick även vägg- och takmålningar samt utställningsmöbler i Nationalmuseums byggnadsplaner. Freskerna i taket i Freskohallen är de enda målningar som genomfördes enligt plan, och även de först mer än tio år efter att museet stod färdigt, 1928.
Freskerna i Nationalmuseums Freskohall hör till Finlands mest kända målningar. De Kalevala-inspirerade freskerna målades av Akseli Gallén-Kallela, som redan 1900 hade målat motsvarande fresker för världsutställningen i Paris. Freskerna i Finlands paviljong vid världsutställningen hade gjort stort intryck på publiken, så arkitekttrion Gesellius, Lindgren och Saarinen, som hade ritat paviljongen, tog med sådana även i planerna för Nationalmuseum. Tre av de fyra freskerna – Ilmarinen plöjer ormåkern, Sampo smides och Sampoförsvaret – har samma motiv som vid världsutställningen i Paris. Den fjärde fresken – Den stora gäddan – ersatte motivet Hedendom och kristendom från världsutställningen i Paris.
För Gallén-Kallela var målningen av freskerna inte ett av karriärens mest omtyckta projekt, och han fick övertalas att ta sig an arbetet. Till slut deltog, utöver konstnären, även hans son Jorma Gallén-Kallela och andra medhjälpare i arbetet med takmålningarna. Freskerna var bland Akseli Gallen-Kallelas sista arbeten, eftersom han avled tre år efter att freskerna färdigställdes.
Målningen av freskerna 1927–1928 väckte för en kort tid åter liv i sekelskiftets nationalromantiska anda. Just då genomgick Finlands skapande konstnärer en betydande brytningsperiod, präglad av en stark strävan efter ett eget nationellt uttryck.
Nationalmuseums ideologiska karaktär gav arkitekterna ett unikt tillfälle att förverkliga idéer med inriktning på forntid och romantik. Om Nationalmuseum hade planerats något tidigare skulle Helsingfors ha varit ett palatsmuseum rikare. Om planeringen och byggandet däremot hade tagit längre tid än de gjorde skulle museet knappast ha bevarats så nationalromantiskt som det är nu. Detta syns tydligt i att rationalismen började träda fram i de lösningar som gjordes under museets planeringsskeden.

Konstnären Akseli Gallen-Kallela framför fresken ”Sampoförsvaret”. Han målade de Kalevala-inspirerade freskerna i Nationalmuseums Freskohallen våren 1928. För målningsarbetet hade ställningar rests i den Freskohallenen, från vilka Gallen-Kallela målade freskerna med hjälp av sin son Jorma Gallen-Kallela. Ovanför konstnärens huvud syns bokstaven C, med den romerska siffran X (10) målad inuti. Den målades av Danmarks kung Christian X under hans besök på Nationalmuseum i maj 1928, när freskerna höll på att färdigställas.