El Museo Guggenheim Bilbao reúne la edificación de bloques interconectados que alojan galerías, un auditorio, un restaurante, la tienda del museo y oficinas administrativas. Estas formas tienen como forma central un atrio de un tamaño sin precedentes. En la cubierta, una forma escultórica metálica unifica el proyecto en una sola composición arquitectónica. El solar del museo se extiende bajo uno de los puentes cuyo tráfico es de los más densos de Bilbao, el Puente de la Salve, y se ha incorporado al diseño. Mediante su alta cubierta, cuyo aspecto recuerda a una "Flor de Metal", el museo ha reanimado la ribera y se ha erigido en el portal más espectacular de la ciudad.

En su interior, el museo ofrece tres plantas de espacios para exposiciones, incluyendo galerías monumentales creadas para la presentación de obras de gran formato, organizadas alrededor del atrio central. El edificio, directamente accesible desde los distritos histórico y comercial de la ciudad, se encuentra rodeado de una serie atractiva de plazas y senderos.

Para su construcción, Gehry se decidió por el titanio y por el diseño de una serie de formas fluidas y complejas, lo cual fue posible gracias a la aplicación de un programa informático llamado Catia, un generador avanzadísimo de modelos tridimensionales desarrollado en principio para generar mapas de superficies curvas con control digital finito en la industria aeroespacial. Catia permite la capacidad de realizar exploraciones escultóricas sin dejar de mantener el control de la relación entre la geometría de la forma y la posibilidad de construcción de ésta de un modo que no es posible sobre los planos bidimensionales de la arquitectura convencional.

Catia ha permitido a Gehry la libertad de diseño. Para desarrollar estas formas arquitectónicas, Gehry trabajó inicialmente con modelos de papel y madera de diferentes tamaños, lo cual le permitió manipular y refinar las formas que constituyen el edificio. Cada punto de la superficie curva del modelo se transfiere posteriormente a un mapa mediante un proceso de digitalización y los datos resultantes se trasladaban a Catia para desarrollar y coordinar en él los sistemas de edificación.

En una entrevista publicada en la revista Architecture, Gehry explicaba que la nueva tecnología "me ofrece una forma de acercarme más al artesano. En el pasado había muchas capas entre mi primer boceto y el edificio final, con lo que el espíritu del diseño corría el riesgo de perderse antes de llegar al artesano. Es como si hubiera estado hablando en un idioma extranjero y ahora de pronto el artesano me comprendiera. En este caso, el ordenador no es un instrumento deshumanizador, es un intérprete".

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