Der Entwurf des neuen Gebäudes wurde David Chipperfield gemäß den Ergebnissen des Wettbewerbs 2008 anvertraut: Es war bereits das vierte Gebäude des Museums, in dem jeweils nur ein Zehntel seiner Sammlung ausgestellt werden konnte. Im Gegensatz zu den drei vorherigen Gebäuden, die einen einzigen Komplex bilden, befand sich das Gebäude des britischen Architekten an einem separaten Ort auf der anderen Seite des Heimplatzes: Ein 64 m langer unterirdischer Korridor verband es mit dem Hauptensemble des Kunsthauses.
Das neue Museumsgebäude spielt auch eine städtebauliche Rolle: Es markiert den Beginn des Universitätsviertels Zürich - weiter nördlich befinden sich die Ensembles der Stadtuniversität und der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH Zürich). Darüber hinaus verbindet er den Raum mit dem neuen Garten der Kunst, der hinter seiner hinteren Fassade angeordnet ist.
Chipperfields Entwurf basierte auf dem lakonischen Rechteck der kantonalen Schule (1842) nördlich des Geländes hinter dem neu angelegten Garten sowie auf den Steinfassaden wichtiger öffentlicher Gebäude in Zürich, wie dem allerersten neoklassizistischen Kunsthaus aus dem Jahr 1910 vom führenden Schweizer Architekten des Meilensteins. Jahrhunderte von Karl Moser sowie die staatlichen Universitätsgebäude des 19. Jahrhunderts, darunter das Hauptgebäude der ETH von Gottfried Semper.
Der Block des neuen Museumsgebäudes aus Kunststein mit vertikalen Profilen aus Jura-Kalkstein (Lagerstätte Lisberg) nimmt zumindest aufgrund seiner Größe (Quadrat 60 x 60 m im Plan, 21 m in der Höhe, Gesamtfläche) einen bedeutenden Platz in der städtischen Umgebung ein - 23 300 m2) jedoch mildern die zurückhaltende Farbe und Lösung der Fassaden den Kontrast des Gebäudes zur Umgebung. Die Profile, die die Fensteröffnungen vertikal überlappen, bestehen aus Kunststein, da hier wichtige Materialblöcke verwendet werden mussten. Es wird auch für die "Gesimse" verwendet, die die Böden teilen und die "Lesbarkeit" der Fassaden gewährleisten.
Der Marmorboden in der Lobby des Gebäudes von 1910 setzt sich auf dem Platz davor und - über die Fahrbahn - vor dem Chipperfield-Gebäude und seiner geräumigen Lobby fort. Öffentliche Bereiche befinden sich im Erdgeschoss: ein Auditorium für 500 Personen, ein Museumsshop, eine Café-Bar, ein Bildungszentrum sowie Verwaltungsräume. Auf zwei unterirdischen Ebenen befinden sich ein Abstellraum, Werkstätten, Schränke, ein Abstellraum und Toiletten.
In den beiden oberen Stockwerken befinden sich Ausstellungshallen: Hier sind die Böden mit Eichenparkett überzogen, und die notwendigen Akzente und Beschläge bestehen aus Messing, das nur mit Wachs überzogen wurde - das Projekt sieht das Erscheinungsbild einer natürlichen Patina vor.
Natürliches Licht gelangt von der Seite durch die Fenster und von oben durch die verglasten Deckenabschnitte in die Hallen des zweiten Stocks.
Das neue Gebäude wird 2021 für Besucher geöffnet: Es zeigt Werke der "klassischen" Moderne, die neueste Kunst (nach 1960), die Sammlung von Emil Georg Bührle. In diesen Hallen werden auch kleine Ausstellungen gezeigt.