天津博物館的建筑外形為仿天鵝造型，內部由陳列展覽區、藏品庫房區、圖書資料中心、辦公與技術用房和設備用房等五大部分組成，室外設有容積為6500平方米的天鵝湖。
天津博物館的外觀由天鵝湖、天鵝頸和綠色項鏈構成。天鵝湖直徑130米，水深從30厘米到80厘米逐漸加深，湖岸可供兒童游戲，湖水可作為消防用水。天鵝湖周圍設有湖邊廣場，采用花崗巖鋪地，并在石才下鋪兩層沙和灰土來為防止冰凍造成花崗巖脫落。天鵝頸由從主入口經過天鵝湖進入博物館的回廊構成，屋頂用玻璃覆蓋，在建筑表現上，就象一只白天鵝的脖子，造型豐滿美麗。圍繞天鵝湖的綠色項鏈以10度的角度緩慢傾斜，種植4米以下的植物，再鋪上草坪，作為游人休憩的空間。
天津博物館的外裝修主要包括殼面和玻璃幕墻、采光窗、落地窗。殼面的外形是半徑158米的球面的一部分，表面積為15539平方米，殼面由網殼、保溫層、折板及鍍瓷鋁板構成。玻璃幕墻由天鵝兩翼的側幕墻和與天鵝頸相連的中央幕墻構成，玻璃幕墻上的鋁制窗框主要沿垂直方向布置，以形成從球面邊緣向天鵝湖方向的流線造型，使其與天鵝湖的水面形成有機的聯系。從前廳內的空間眺望天鵝湖，一至三層所有的樓層都與外部環境渾然一體，非常壯觀。采光窗為可開合式，作為前廳和三層展室的通風口還具有排煙、換氣等功能。落地窗傾斜角度為69度。
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