Il museo ha sede a Ca’ Pesaro, il più importante palazzo barocco della città, opera di Baldassarre Longhena. 

Vi sono ospitate importanti collezioni otto-novecentesche di dipinti e sculture, tra cui spiccano capolavori di Klimt, Chagall e notevoli opere da Kandinsky a Klee, da Matisse a Moore, oltre a una ricca selezione di lavori di artisti italiani e un importante gabinetto di grafica. 
I lavori di restauro, su progetto di Boris Podrecca, sono stati realizzati a partire da un’attenta rilettura del palazzo e della sua storia, recuperandone gli elementi più significativi e favorendo i collegamenti tra l’edificio ed il tessuto urbano circostante. 
L’intervento ha inoltre, ovviamente, dotato il museo di impianti tecnologicamente avanzati e di moderni servizi: dagli spazi di accoglienza alle aree riservate alla didattica, dagli ascensori per disabili alla libreria e al bar. 

Accurati interventi di restauro e recupero, pulizia e manutenzione hanno inoltre coinvolto da un lato l’intero apparato decorativo del palazzo: affreschi e dipinti dei soffitti, stucchi, marmi, fregi, intagli, dall’altro l’insieme vasto e articolato delle collezioni del museo.