Le bâtiment central
Les activités développées dans le cadre de l'année culturelle 1995 démontrent à l'évidence que le bâtiment central du musée, terminé en 1939, est devenu trop exigu pour nos collections permanentes. Il ne correspond plus aux attentes du public et n'offre que peu d'espace pour des expositions temporaires.
Le projet de restructuration du musée est alors confié au Fonds de rénovation de la Vieille Ville. L'extension du musée, situé au cœur du centre historique qui plus est classé par l'UNESCO, est confiée à l'architecte Christian Bauer et associés; elle s'avère difficile. Après des travaux de grande envergure, le nouveau bâtiment central est finalement inauguré en 2002. Ses espaces répondent aux exigences contemporaines et doublent la surface d'exposition du musée, qui passe de 1900 m2 à 4300 m2, les nouvelles salles d'exposition supplémentaires étant en grande partie cachées sous la place réaménagée du Marché-aux-Poissons.
Dans sa nouvelle configuration, le bâtiment central offre des espaces divers:
Un bâtiment faisant face au parvis au Marché-aux-Poissons, renfermant l'accueil avec une boutique et une cafétéria au rez-de-chaussée, une possibilité d’aménager en auditorium et salle de projection le premier étage ainsi qu'une salle supplémentaire pour les expositions temporaires au dernier niveau. Vu du Marché-aux-Poissons, ce nouveau bâtiment se présente comme un bloc monolithique avec un revêtement de façade en pierre naturelle qui se différencie clairement des bâtiments voisins. Au rez-de-chaussée, les parties vitrées de la zone d'entrée offrent une plus grande luminosité ainsi qu'une meilleure visibilité vers l'extérieur.
Un nouvel ensemble de trois niveaux souterrains cachés est gagné sous la place du Marché-aux-Poissons. Ces nouvelles salles - creusées dans le rocher - sont destinées aux importantes collections archéologiques du Musée.
Un atrium, espace de transition, mettant en vis-à-vis le nouveau et l'ancien bâtiment, est ainsi dégagé. Sous un toit vitré, associant transparence et translucidité, il renferme les rampes, les ascenseurs et les escaliers.
Les salles du bâtiment ancien (Maison Collart-de-Scherf transformée en musée à partir de 1922), sont entièrement rénovées, s'articulant autour d'une petite cour intérieure couverte.
L'Aile Wiltheim
Faute de place, la section des Arts décoratifs et populaires ne peut être installée dans le bâtiment principal. Pour cette raison, plusieurs maisons anciennes situées en face du musée dans la rue Wiltheim sont acquises et aménagées.
Ces maisons nobiliaires et bourgeoises possèdent une longue histoire comme bâtiments d'habitation avant leur réaffectation en espace muséal. Leur architecture témoigne de l'évolution de l'habitat urbain du Moyen-Age au XIXe siècle. Bâties à l'origine pour un occupant privilégié, elles ont été occupées par la suite par des personnes de toutes conditions sociales.
Les manières d'habiter ainsi que les arts appliqués jusqu'au XIXe siècle, les croyances populaires, le travail agricole et les métiers anciens ainsi que l'industrialisation sont présentés dans la section Vie luxembourgeoise du musée dès les années 1970. L'exposition sur l'habitat intègre aussi l'architecture intérieure exceptionnellement bien conservée des maisons anciennes.
Les trois maisons sont restées à l'écart du projet de restructuration de 2002.
Afin de revaloriser le patrimoine architectural très important de ces maisons et de mieux les intégrer dans le fonctionnement du musée, elles bénéficient en 2012-2014 d'une rénovation intégrale menée conjointement par le Fonds de rénovation de la Vielle Ville et le MNHA. Les travaux de rénovation prêtent une grande attention à ne pas abimer l'ancien bâtiment.
La nouvelle Aile Wiltheim, offre environ 1500 m2 de surface d'exposition supplémentaire ainsi que deux nouveaux ateliers pour le service éducatif du musée.
Une passerelle à deux niveaux, entièrement vitrée, relie dorénavant le bâtiment central à l'Aile Wiltheim et permet une meilleure circulation pour les visiteurs.