牡丹博物馆占地1.2万平方米，主体建筑面积4000平方米，总投资1000万元人民币，由清华大学设计，中央美院布展。它位于曹州牡丹园大田牡丹观赏区的南端，与观花楼同在南北一条轴线上，采取中西结合的园项式结构，全馆上下三层，分为七个展厅，一楼为序厅、历史厅和荣誉厅，介绍牡丹久远的栽培历史及近年来获得的一系列大奖；二楼为科技厅和精品厅，展示牡丹开发的最新科研成果，以大量的图片和录像资料展示中外名品精品；三楼为文化厅和多媒体厅，通过彩绘、实物、雕塑、诗词文赋、传说故事、工艺书画、服饰图案等，展示生动悠久的牡丹文化。室内装修采用中式对称结构，每层大厅中间为中国红地毯铺设，给人以高贵之感，地面以莹石青为主色调，墙面采用金线米黄大理石，与牡丹的豪放相映衬。