民國54年（1965）8月，臺北外雙溪新館竣工，蔣中正總統題署「中山博物院」門額以紀念國父孫中山先生。同年11月12日（國父百年誕辰紀念日）正式揭幕。正館為中國宮殿式建築，樓高四層，斗拱出踩、棟宇翬飛、綠瓦黃脊，由黃寶瑜建築師設計。
後又經民國56年（1967）第一期新館左右兩翼擴建工程完竣、60年（1971）第二期擴建工程將新館兩翼向前擴充完竣。並於74年（1985）進行展場重新規畫整修，正館陳列室加大，庫房和展場都建立恆溫、恆溼、防火、防潮、防震、防盜等措施，又仿乾隆養心殿西室書齋於正館設休憩茶座「三希堂」。
民國93年7月（2004）「正館公共空間、展覽動線調整與周邊環境改善工程暨正館建築物耐震補強工程」重新裝修，由羅興華建築師事務所設計，96年12月（2007）完竣開展。