El marqués, seguramente plasmando la voluntad del doctor, concibió el museo según el modelo de “templo científico” de inspiración clasicista entonces en boga en toda Europa y que siguieron un buen número de museos, facultades y academias construidos a lo largo del siglo XIX, con su fachada tetrástila de orden jónico sobre podio con escalinata rematada por el lema de la Sociedad Antropológica de París a la que pertenecía González Velasco, el Nosce te ipsum (conócete a ti mismo) que a su vez, según la tradición, campeaba en el templo de Apolo en Delfos, la sede del célebre oráculo. La fachada la completaban una serie de frescos y esculturas relacionados con la simbología y la historia de la Medicina, de los que sólo se conserva la cabeza de Minerva en el frontón.
Su organización tanto en planta como en volumen estaba protagonizada, como lo hace aún hoy, por un cuerpo central principal dividido en dos salas –el salón grande y el pequeño- cubiertas por bóvedas con lucernarios y dedicadas a la exposición de las colecciones del museo. A ambos lados, sendos cuerpos laterales albergaban desde la residencia particular de la familia del doctor a su consulta, el aula donde impartía sus lecciones, la redacción de su revista, los laboratorios e incluso una pequeña clínica privada. Un análisis más exhaustivo de esta distribución interior se puede encontrar en el trabajo del profesor Luis Ángel Sánchez publicado en la revista del museo.
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