Der unregelmäßige Grundriss und die Ecklage des Grundstücks unterstreichen die aufstrebende Kubatur, die gleichzeitig Mayers Arbeiten zum Festungsbau widerspiegelt und an eine Sternwarte erinnert. Bei der Materialentscheidung fiel die Wahl auf den handgeschöpften Kolumba-Ziegel, dieser verstärkt die monolithische Anmutung und verbindet sich mit den traditionellen Materialien der mittelalterlichen Umgebung.
War der Baukörper wesentlich vom historischen Stadtgefüge geprägt, wurden bei der Gestaltung Querverbindungen zu Mayers reichem Leben und Schaffen hergestellt. Mayers Farblehre mit ihren sechseckigen Feldern, findet sich in der Fensterform im Obergeschoss wieder. Ein zweigeschossiges, sechs Meter hohes Fenster dient als Schaufenster für das Museum und gewährt spannende Ausblicke auf dem Weg von Geschoss zu Geschoss.
Der Ausstellungsbereich des Geburtshauses wird vom Neubau aus erschlossen und bespricht die Person des hier geborenen Tobias Mayer. Die Ausstellungsfläche des Neubaus unterteilt sich in die Themenbereiche Kartografie und Kupferstich im Erdgeschoss. Mayers Arbeiten zur Astronomie und Mondforschung, seine Mondkarten und die Lösung des Längenproblems werden im 1. Obergeschoss gezeigt.
Interessierte lädt die Bibliothek im 2. Obergeschoss zum Selbststudium und zur Themenvertiefung ein. Im Kontrast zu den anderen Etagen bieten hier große Fensterflächen eine Fülle von Tageslicht. Von der Dachterrasse aus können nächtens die Sterne beobachtet werden.
Ein modern interpretierter Gewölbekeller im Untergeschoss, wird für Veranstaltungen, Vorträge und Diskussionen genutzt, zudem werden hier lokal gebrautes Bier und ein spezieller Tobias-Mayer-Cuvée ausgeschenkt.
Der Tobias-Mayer-Verein, dessen ehrenamtliche Mietglieder das Museum betreiben, hatte 2014 einen Architektenwettbewerb für den Erweiterungsbau ausgelobt. Knappe Innenarchitekten gewannen diesen. Nachdem die Finanzierung von der Unternehmerfamilie Erika und Hermann Püttmer aus Backnang übernommen worden war, wurde Webler + Geissler Architekten aus Stuttgart die Verantwortung für Entwurf und Bauausführung übertragen.