El proyecto fue promovido por la Fundación Botín, una fundación patrimonial privada creada en 1964 por Marcelino Botín Sanz de Sautuola y su mujer, María del Carmen Yllera Camino.

El edificio, compuesto por dos volúmenes de diferentes tamaños apoyados sobre columnas y suspendidos parcialmente sobre el mar, fue obra del arquitecto italiano Renzo Piano, galardonado con el premio Pritzker en 1998.​ Se encuentra organizado en dos volúmenes unidos por una estructura de espacios y pasarelas a modo de distribuidor principal. El volumen oeste está dedicado al arte, con una sala de exposiciones de 2.500 m²; en sus bajos acristalados se instaló una zona comercial y de restauración. El volumen este, de menor tamaño, se destina a actividades educativas, con una gran terraza con vistas a la bahía de Santander y una plaza cubierta en la planta baja de 950 m².

En él resaltan la luz y la ligereza, dos de los aspectos esenciales en su concepción. La luz se refleja en su fachada cerámica, compuesta por 280.000 piezas discoidales que se van adaptando a la geometría del edificio. La construcción se sustenta sobre pilares y columnas, conformando un voladizo sobre la bahía de Santander y los antiguos muelles de Albareda y Maura, respetando además la altura de las copas de los árboles de los Jardines de Pereda.

El proyecto afectó también a los Jardines de Pereda aledaños al edificio, cuya superficie pasó a tener de dos a cuatro hectáreas debido principalmente al soterramiento del tráfico rodado.

Según Emilio Botín, anterior presidente de la Fundación Botín, la instalación tuvo un coste de 77 millones de euros.​ Otras fuentes elevan el coste final a los 100 millones de euros.En 2013 la Fundación había comprometido un presupuesto anual de 12,5 millones de euros para el mantenimiento y el desarrollo de actividades en el Centro.

La renovación de los jardines de Pereda se inauguró al público en el verano de 2014, mientras que la apertura del centro se realizó el 23 de junio de 2017, con tres años de retraso.