Die Grundstruktur des architektonisch bemerkenswerten Museumsgebäudes ähnelt einem dreiblättrigen Kleeblatt. In der Mitte der gewölbten Form entstand so ein dreieckiges Atrium, um das herum die Ausstellungsräume angeordnet sind. In einer gewaltigen Doppelhelix winden sich zwei Rundgänge durch die verschiedenen Ebenen mit 16.500 m² Ausstellungsfläche. Besucher starten ihren Rundgang dabei nicht im Erdgeschoss, sondern gelangen mit Aufzügen zum höchsten Punkt des Museums und laufen von dort die Wendel abwärts, wobei die Ausstellung dem Alter der Autos folgt. So kann der Besucher von oben nach unten die chronologische Entwicklung der Marke und des Mythos Mercedes mitverfolgen.
Schon beim Betreten des Museums geben die GEZE TSA 325 Karusselltüren mit dem GEZE Ganzglassystem GGS dem Besucher rundherum den Blick auf die großzügige Eingangshalle und die Exponate frei. Die Karusselltüren bringen sich wie von selbst in die Glasfassade ein und harmonieren außerordentlich gut mit dem besonderen architektonischen Stil des Museums. Das Integrierte Ganzglassystem IGG ist außerdem an Drehtüren verbaut.
Das Mercedes-Benz Museum ist mit dem Designpreis in Gold der Bundesrepublik Deutschland ausgezeichnet.