Adossé à la pente naturelle du terrain, le musée est installé dans un sous-bois aux essences variées (pins, chênes, bouleaux, charmes, noisetiers, acacias, etc.) et parsemé de chaos de grès. Ce site naturel pittoresque appartient à la forêt de Nemours-Poligny qui, elle-même, est une extension sud de la forêt de Fontainebleau.
Achevé en 1980, le bâtiment en béton brut de décoffrage et verre est l’œuvre de l’architecte et urbaniste Roland Simounet.
Le parcours du musée est chronologique. Les salles, distribuées autour de patios-jardins présentant la flore des différentes périodes de la Préhistoire, sont largement ouvertes vers l’extérieur par de grandes baies vitrées.